Após anos de progresso lento, os pesquisadores finalmente veem um caminho claro na busca pela construção de computadores quânticos poderosos. Essas máquinas reduziriam drasticamente o tempo necessário para cálculos específicos, transformando problemas que levariam milhares de anos aos computadores clássicos em tarefas que poderiam ser concluídas em horas.
Uma equipe liderada por físicos da Universidade de Stanford criou um novo tipo de cavidade óptica que pode emitir com eficiência fótons únicos, as partículas fundamentais da luz, emitidas por átomos individuais. Esses átomos servem como componentes-chave de um computador quântico porque armazenam qubits, que são o equivalente quântico de zero e são usados na computação tradicional. Pela primeira vez, este método permite coletar informações de todos os qubits de uma só vez.
Cavidade óptica permite leitura rápida de Qubit
Publicado em pesquisa a naturezaA equipe descreve um sistema que consiste em 40 cavidades ópticas, cada uma contendo um único qubit de átomo, com um protótipo maior contendo mais de 500 cavidades. Os resultados apontam para um caminho realista para a construção de redes de computação quântica que possam incorporar um milhão de qubits por dia.
“Se quisermos construir um computador quântico, precisamos ser capazes de ler informações de bits quânticos muito rapidamente”, disse John Simon, professor associado de física e física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “Até agora, não havia uma maneira prática de fazer isso em escala porque os átomos não emitem luz com rapidez suficiente e, além disso, eles a espalham em todas as direções. Uma cavidade óptica pode efetivamente direcionar a luz emitida em uma direção específica, e agora descobrimos uma maneira de informatizar cada átomo dentro de suas próprias medições.”
Como as cavidades ópticas controlam a luz
Uma cavidade óptica funciona prendendo a luz entre duas ou mais superfícies reflexivas, fazendo com que ela salte para frente e para trás. O efeito pode ser comparado a estar diante de um espelho de uma casa de diversões, onde os reflexos parecem se estender infinitamente à distância. Em ambientes científicos, essas cavidades são muito menores e usam passagens repetidas de um feixe de laser para extrair informações dos átomos.
Embora as cavidades ópticas tenham sido estudadas há décadas, elas são difíceis de usar com átomos porque os átomos são extremamente pequenos e quase transparentes. Conseguir que a luz interagisse com eles com força suficiente era um desafio constante.
Um novo design usando uma microlente
Em vez de confiar em muitas reflexões repetidas, a equipe de Stanford girou as microlentes para focar firmemente a luz em um único átomo dentro de cada cavidade. Mesmo com menos reflexo de luz, este método provou ser mais eficaz na extração de informações quânticas dos átomos.
“Criamos um novo tipo de arquitetura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, Stanford Science Fellow e primeiro autor do estudo. “Esperamos que isso nos permita construir computadores quânticos distribuídos dramaticamente mais rápidos, que possam se comunicar entre si a taxas de dados muito mais rápidas”.
Além dos limites binários da computação clássica
Os computadores convencionais processam informações usando bits que representam zeros ou uns. Os computadores quânticos funcionam usando qubits, que se baseiam no estado quântico de pequenas partículas. Um qubit pode representar zero, um ou ambos os estados ao mesmo tempo, permitindo que os sistemas quânticos realizem certos cálculos com muito mais eficiência do que as máquinas clássicas.
“Um computador clássico tem que analisar as possibilidades uma por uma, encontrando a resposta certa”, disse Simon. “Mas um computador quântico funciona como fones de ouvido com cancelamento de ruído que comparam combinações de respostas, amplificando as corretas e abafando as erradas”.
Escalando para supercomputadores quânticos
Os cientistas estimam que os computadores quânticos precisariam de milhões de qubits para superar o desempenho dos supercomputadores mais poderosos da atualidade. De acordo com Simon, atingir esse nível provavelmente exigiria que muitos computadores quânticos estivessem conectados em grandes redes. A interface paralela baseada em luz demonstrada neste estudo fornece uma base eficiente para aumentar a escala para esses tamanhos.
Os pesquisadores demonstraram uma matriz funcional de 40 cavidades no estudo atual, juntamente com um sistema de prova de conceito contendo mais de 500 cavidades. Seu próximo objetivo é expandir para centenas de milhares. Olhando mais adiante, a equipe prevê centros de dados quânticos onde computadores quânticos individuais sejam conectados por meio de interfaces de rede baseadas em cavidades para criar supercomputadores quânticos em grande escala.
Amplas implicações científicas e tecnológicas
Persistem obstáculos significativos de engenharia, mas os investigadores acreditam que os benefícios potenciais são substanciais. Computadores quânticos em grande escala poderiam levar a avanços no design de materiais e na síntese química, incluindo aplicações na descoberta de medicamentos, bem como avanços na decifração de códigos.
A capacidade de captar luz de forma eficiente tem implicações que vão além da computação. Matrizes de cavidades podem melhorar o biossensor e a microscopia, apoiando avanços na pesquisa médica e biológica. As redes quânticas poderiam contribuir para a astronomia, permitindo telescópios ópticos com maior resolução, permitindo potencialmente aos cientistas observar diretamente planetas que orbitam estrelas fora do nosso sistema solar.
“À medida que entendemos mais sobre como podemos manipular a luz a um nível de partícula única, penso que isso irá transformar a nossa capacidade de ver o mundo”, disse Shaw.
Simon é o Professor Joan Reinhart de Física e Física Aplicada. Shaw é bolsista Felix Bloch e bolsista Urbanek-Chodorow.
Co-autores adicionais de Stanford incluem David Schuster, o Professor Joan Reinhart de Física Aplicada, e os estudantes de doutorado Anna Soper, Daniel Shadmani e Da-Yeon Koh.
Outros coautores incluem pesquisadores da Stony Brook University, da Universidade de Chicago, da Universidade de Harvard e da Universidade Estadual de Montana.
Esta pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, do Escritório de Pesquisa do Exército, da Fundação Hertz e do Departamento de Defesa dos EUA.
Matt Jaffe e Simon, da Montana State University, trabalham como consultores de opções de ações na Atom Computing. Shadmani, Jaffe, Schuster e Simon, bem como Aishwarya Kumar de Stony Brook, detêm uma patente sobre a geometria de ressonância demonstrada neste trabalho.
