Os pesquisadores fizeram progressos significativos na computação quântica ao desenvolver um dispositivo quase 100 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Este trabalho foi publicado na revista comunicações da naturezaintroduziu um novo modulador de fase óptica projetado para controlar com precisão a luz laser. Esta capacidade será crítica para o funcionamento de futuros computadores quânticos, que poderão contar com milhares ou mesmo milhões de qubits – as unidades básicas utilizadas para armazenar e processar informação quântica.
Tão importante quanto o tamanho é a forma como o dispositivo é construído. Em vez de depender de equipamento de laboratório personalizado, os investigadores utilizaram métodos de fabrico escaláveis semelhantes aos utilizados para produzir processadores em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos – basicamente qualquer tecnologia alimentada por eletricidade (até torradeiras). Esta abordagem torna o dispositivo mais adequado para produção em massa.
Dispositivos minúsculos desenvolvidos para escala real
A pesquisa foi liderada por Jake Freedman, um estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e Energia, e Matt Eichenfield, professor de engenharia quântica e titular da cátedra Karl Gustafson. A equipe também colaborou com cientistas do Sandia National Laboratories, incluindo o co-autor sênior Nils Otterstrom. Juntos, eles criaram um dispositivo que combina tamanho pequeno, alto desempenho e baixo custo, tornando-o adequado para produção em massa.
No centro da tecnologia estão as vibrações de frequência de micro-ondas que oscilam bilhões de vezes por segundo. Essas vibrações permitem que o chip manipule a luz laser com altíssima precisão.
Ao controlar diretamente a fase do feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são estáveis e eficientes. Este nível de controle é um requisito fundamental não apenas para a computação quântica, mas também para campos emergentes, como detecção quântica e redes quânticas.
Por que os computadores quânticos precisam de lasers de ultraprecisão
Alguns dos projetos de computação quântica mais promissores usam íons presos ou átomos neutros presos para armazenar informações. Nestes sistemas, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores interagem com esses átomos direcionando um feixe de laser cuidadosamente sintonizado sobre eles, fornecendo efetivamente instruções que permitem a realização de cálculos. Para conseguir isso, cada laser deve ser ajustado com extrema precisão, às vezes até uma parte por bilhão.
“Criar novas cópias de laser com diferenças de frequência muito precisas é uma das ferramentas mais importantes para o uso de computadores quânticos baseados em átomos e íons”, disse Friedman. “Mas para fazer isso em escala, você precisa de tecnologia que possa gerar eficientemente essas novas frequências”.
Atualmente, essas mudanças precisas de frequência são produzidas usando grandes dispositivos de mesa que requerem grandes quantidades de energia de micro-ondas. Embora esses sistemas sejam eficazes para pequenos experimentos, eles são impraticáveis para o grande número de canais ópticos necessários para futuros computadores quânticos.
“Você não vai construir um computador quântico com 100 mil moduladores eletro-ópticos de alto volume em um armazém cheio de bancadas ópticas”, disse Eichenfield. “Você precisa de alguma maneira de torná-los mais escaláveis, sem ter que montá-los manualmente e exigir longos caminhos de luz. E enquanto você faz isso, se conseguir que todos caibam em alguns pequenos microchips e gerem 100 vezes menos calor, então você terá uma chance melhor de fazê-lo funcionar. “
Menos energia, menos calor, mais qubits
O novo dispositivo gera mudanças de frequência de laser por meio de modulação de fase eficiente, usando cerca de 80 vezes menos energia de micro-ondas do que muitos moduladores comerciais existentes. Menor consumo de energia significa menos calor, o que permite que mais canais sejam agrupados, mesmo em um único chip.
Juntas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas dos átomos necessárias para realizar cálculos quânticos.
Construído usando a mesma tecnologia dos microchips modernos
Uma das conquistas mais importantes do projeto é que o dispositivo é fabricado inteiramente em uma unidade fabril, ou fábrica, o mesmo ambiente em que a microeletrônica avançada é produzida.
“A fabricação de CMOS é a tecnologia mais escalonável já inventada”, disse Eichenfield.
“Existem bilhões de transistores essencialmente idênticos em cada chip microeletrônico de cada telefone ou computador. Portanto, usando a fabricação CMOS, no futuro poderemos produzir milhares ou até milhões de versões idênticas de dispositivos fotônicos, que é o que a computação quântica exige.”
De acordo com Otterstorm, a equipe pegou a tecnologia moduladora que antes era volumosa, cara e que consumia muita energia e a redesenhou para torná-la menor, mais eficiente e mais fácil de integrar.
“Estamos ajudando a conduzir a óptica para a ‘revolução do transistor’, passando do equivalente óptico dos tubos de vácuo para a tecnologia fotônica integrada e escalonável”, disse Otterstorm.
Rumo a chips fotônicos quânticos totalmente integrados
Os pesquisadores estão atualmente trabalhando em circuitos fotônicos totalmente integrados que combinam geração de frequência, filtragem e modelagem de pulso em um único chip. Este esforço aproxima o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.
Em seguida, a equipe planeja trabalhar com empresas de computação quântica para testar os chips em computadores quânticos avançados de íons presos e átomos neutros presos.
“Este dispositivo é a peça final do quebra-cabeça”, disse Friedman. “Estamos nos aproximando de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável, capaz de controlar um grande número de qubits.”
O projeto recebeu apoio do Departamento de Energia dos EUA por meio do Programa Acelerador de Sistemas Quânticos do National Quantum Initiative Science Research Center.
