Após anos de progresso lento, os pesquisadores podem finalmente ver um caminho claro a seguir na construção de poderosos computadores quânticos. Espera-se que as máquinas reduzam drasticamente o tempo necessário para determinados cálculos, transformando problemas que os computadores tradicionais levariam milhares de anos para serem resolvidos em tarefas que podem ser concluídas em horas.
Uma equipe liderada por físicos da Universidade de Stanford desenvolveu um novo tipo de cavidade óptica que pode capturar com eficiência fótons únicos, as partículas elementares de luz emitidas por átomos individuais. Esses átomos são os principais componentes dos computadores quânticos porque armazenam qubits, que são os equivalentes quânticos dos zeros e uns usados na computação tradicional. Este método permite pela primeira vez coletar informações de todos os qubits simultaneamente.
A cavidade óptica permite uma leitura mais rápida do qubit
Num estudo publicado em naturezaa equipe descreveu um sistema de 40 cavidades ópticas, cada uma abrigando um qubit atômico, bem como um protótipo maior contendo mais de 500 cavidades. As descobertas apontam para um caminho realista para a construção de redes de computação quântica que um dia poderão conter até um milhão de qubits.
“Se quisermos construir um computador quântico, precisamos ser capazes de ler as informações dos qubits muito rapidamente”, disse o autor sênior do estudo Jon 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 grande escala porque os átomos não emitem luz com rapidez suficiente e, o mais importante, eles a expelem em todas as direções. As cavidades ópticas direcionam efetivamente a luz emitida em direções específicas, e agora descobrimos uma maneira de equipar cada átomo em um computador quântico com sua própria cavidade separada.”
Como as cavidades ópticas controlam a luz
As cavidades ópticas funcionam prendendo a luz entre duas ou mais superfícies reflexivas, fazendo com que ela salte para frente e para trás. O efeito é como estar entre espelhos numa casa interessante, onde os reflexos parecem estender-se infinitamente à distância. Em ambientes científicos, essas cavidades são muito menores e passagens repetidas de um feixe de laser são usadas para extrair informações dos átomos.
Embora as cavidades ópticas tenham sido estudadas há décadas, elas são difíceis de usar com átomos porque são muito pequenas e quase transparentes. Conseguir que a luz interaja com eles com força suficiente tem sido um desafio constante.
Novo design usando microlentes
Em vez de depender de múltiplas reflexões repetidas, a equipe de Stanford introduziu microlentes dentro de cada cavidade para focar firmemente a luz em átomos individuais. Este método provou ser mais eficiente na obtenção de informações quânticas dos átomos, embora menos luz seja refletida.
“Desenvolvemos um novo tipo de estrutura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, pesquisador científico da Universidade de Stanford e primeiro autor do estudo. “Esperamos que isso nos permita construir computadores quânticos distribuídos mais rápidos, que possam se comunicar entre si a taxas de dados mais rápidas”.
Além dos limites binários da computação clássica
Os computadores tradicionais processam informações usando bits que representam zeros ou uns. Os computadores quânticos operam usando qubits, que são baseados nos estados quânticos de pequenas partículas. Qubits podem representar zero, um ou dois estados simultaneamente, permitindo que sistemas quânticos lidem com certos cálculos com mais eficiência do que máquinas clássicas.
“Um computador clássico tem que processar as possibilidades uma por uma, procurando a resposta certa”, disse Simon. “Mas um computador quântico age como fones de ouvido com cancelamento de ruído, comparando combinações de respostas, amplificando as respostas certas enquanto suprime as respostas erradas”.
Escalando para supercomputadores quânticos
Os cientistas estimam que um computador quântico exigirá milhões de qubits para superar os supercomputadores mais poderosos da atualidade. Alcançar esse nível pode exigir a conexão de muitos computadores quânticos em grandes redes, disse Simon. A interface paralela baseada em luz demonstrada neste estudo fornece uma base eficiente para aumentar a escala para essas dimensões.
Os pesquisadores demonstraram uma matriz funcional de 40 cavidades no estudo atual, bem como um sistema de prova de conceito contendo mais de 500 cavidades. Seu próximo objetivo é expandir para dezenas de milhares de pessoas. Olhando para o futuro, a equipe prevê centros de dados quânticos onde computadores quânticos individuais sejam conectados por meio de interfaces de rede baseadas em cavidades para formar supercomputadores quânticos em grande escala.
Implicações mais amplas de ciência e tecnologia
Persistem obstáculos significativos de engenharia, mas os investigadores acreditam que os benefícios potenciais são enormes. Os computadores quânticos em grande escala poderão levar a avanços no design de materiais e na síntese química, incluindo aplicações relacionadas com a descoberta de medicamentos, bem como avanços na decifração de códigos.
A capacidade de coletar luz com eficiência também tem implicações que vão além da computação. Matrizes de cavidades podem melhorar as técnicas de biossensor e microscopia e apoiar avanços na pesquisa médica e biológica. As redes quânticas poderiam até contribuir para a astronomia, aumentando a resolução dos telescópios ópticos, possibilitando aos cientistas observar diretamente planetas que orbitam estrelas além do nosso sistema solar.
“À medida que aprendemos mais sobre como manipular a luz ao nível de uma única partícula, penso que isso mudará a nossa capacidade de ver o mundo”, disse Xiao.
Simon também é Professor Joan Reinhart de Física e Física Aplicada. Shaw também é Felix Bloch Fellow e Urbanek-Chodorow Fellow.
Outros co-autores de Stanford incluem David Schuster, o Professor Joan Reinhart de Física Aplicada, e os estudantes de doutorado Anna Soper, Danial Shadmany 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.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pela Fundação Hertz e pelo Departamento de Defesa dos EUA.
Matt Jaffe e Simon, da Montana State University, atuam como consultores da AtomComputing e possuem opções de ações. Shadmany, Jaffe, Schuster e Simon, juntamente com Aishwarya Kumar de Stony Brook, detêm a patente da geometria do ressonador demonstrada neste trabalho.
