Cientistas propõem computadores quânticos com design mais simples

Uma série de questões práticas levou pesquisadores a explorar a possibilidade de construir computadores quânticos mais simples. Como essas máquinas, hoje em dia, são normalmente complicadas de construir, difíceis de escalar e requerem temperaturas mais frias do que o espaço interestelar para operar, muitos cientistas vêm pensando em alternativas capazes de superar esses desafios.

Entre as soluções encontradas estava a de criar computadores quânticos com funcionamento à base de fótons – partículas de luz que podem, facilmente, transportar informações de um lugar para outro. Desse modo, os computadores quânticos fotônicos conseguem operar em temperatura ambiente, sendo essa uma abordagem promissora.

No entanto, embora as pessoas tenham sido criadas com sucesso “portas lógicas” quânticas individuais para fótons, é especialmente trabalhoso construir um grande número de portas e conectá-las de maneira confiável para realizar cálculos complexos.

Projeto sugere o uso de componentes acessíveis em novos computadores quânticos

Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford, na Califórnia, propuseram um projeto mais inteligível para computadores quânticos fotônicos usando componentes acessíveis, de acordo com um artigo publicado na revista científica Optica nesta segunda-feira (29).

Segundo a publicação, o projeto proposto usa um laser para manipular um único átomo que, por sua vez, pode modificar o estado dos fótons por meio de um fenômeno chamado “teletransporte quântico”. 

Esse átomo pode ser reiniciado e reutilizado para muitos portais quânticos, eliminando a necessidade de construir vários portais físicos distintos, o que reduz significativamente a complexidade da construção de um computador quântico.

“Normalmente, se você quisesse construir um computador quântico, teria que pegar potencialmente milhares de emissores quânticos, torná-los perfeitamente indistinguíveis e, em seguida, integrá-los em um circuito fotônico gigante”, disse Ben Bartlett, candidato a Ph.D. em física aplicada e autor principal do artigo. “Enquanto com este projeto, precisamos apenas de um punhado de componentes relativamente simples, e o tamanho da máquina não aumenta com o tamanho do programa quântico que você deseja executar”.

Esse design extremamente simples, segundo Bartlett, requer apenas alguns equipamentos como um cabo de fibra óptica, um divisor de feixe, um par de interruptores ópticos e uma cavidade óptica.

Conforme destaca o site Phys, felizmente, esses componentes já existem e estão disponíveis comercialmente. Eles estão sendo continuamente refinados, uma vez que são usados ??em várias aplicações além da computação quântica. Por exemplo, as empresas de telecomunicações têm trabalhado para melhorar os cabos de fibra óptica há anos.

“O que estamos propondo aqui é construir sobre o esforço e o investimento que as pessoas fizeram para melhorar esses componentes”, disse Shanhui Fan, professor da Escola de Engenharia Joseph and Hon Mai Goodman da Stanford e autor sênior do artigo. “Eles não são novos componentes especificamente para computação quântica”.

Saiba detalhes do projeto

O projeto consiste em duas seções principais: um anel de armazenamento e uma unidade de espalhamento. O anel de armazenamento, que funciona de maneira semelhante à memória de um computador comum, é um loop de fibra óptica contendo vários fótons que viajam ao redor do anel. 

Análogo aos bits que armazenam informações em um computador clássico, neste sistema, cada fóton representa um bit quântico, ou “qubit”. A direção de deslocamento do fóton ao redor do anel de armazenamento determina o valor do qubit, que como um bit, pode ser 0 ou 1. Além disso, como os fótons podem existir em dois estados ao mesmo tempo, um fóton individual pode fluir simultaneamente em ambas as direções, também representando uma combinação de dois valores de 0 e 1 ao mesmo tempo.

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Segundo os pesquisadores, eles podem manipular um fóton direcionando-o do anel de armazenamento para a unidade de espalhamento, onde ele viaja para uma cavidade contendo um único átomo.

Então, o fóton interage com o átomo, fazendo com que os dois fiquem “emaranhados”, em um fenômeno quântico pelo qual duas partículas podem se influenciar, mesmo em grandes distâncias. 

Em seguida, o fóton retorna ao anel de armazenamento, e um laser altera o estado do átomo. Como o átomo e o fóton estão emaranhados, a manipulação do átomo também influencia o estado de seu fóton emparelhado.

“Medindo o estado do átomo, você pode teletransportar operações para os fótons”, disse Bartlett. “Portanto, precisamos apenas de um qubit atômico controlável e podemos usá-lo como um proxy para manipular indiretamente todos os outros qubits fotônicos”.

Como qualquer porta lógica quântica pode ser compilada em uma sequência de operações realizadas no átomo, é possível, em princípio, executar qualquer programa quântico de qualquer tamanho usando apenas um qubit atômico controlável. 

Para executar um programa, o código é traduzido em uma sequência de operações que direcionam os fótons para a unidade de espalhamento e manipulam o qubit atômico. Como é possível controlar a maneira como o átomo e os fótons interagem, o mesmo dispositivo pode executar muitos programas quânticos diferentes.

“Para muitos computadores quânticos fotônicos, as portas são estruturas físicas pelas quais os fótons passam, então se você quiser mudar o programa que está sendo executado, muitas vezes envolve reconfigurar fisicamente o hardware”, disse Bartlett. “Considerando que, neste caso, você não precisa mudar o hardware – você só precisa dar à máquina um conjunto diferente de instruções”.

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