Após anos de progresso lento, os pesquisadores podem finalmente ver um caminho claro a seguir na busca pela construção de computadores quânticos poderosos. Espera-se que essas máquinas reduzam drasticamente o tempo necessário para certos cálculos, 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 desenvolveu um novo tipo de ressonador óptico que pode capturar com eficiência fótons únicos, as partículas básicas de luz emitidas por átomos individuais. Esses átomos servem como componentes principais de um computador quântico porque armazenam qubits, que são o equivalente quântico dos zeros e uns usados na computação tradicional. Pela primeira vez, esta abordagem permite coletar informações de todos os qubits de uma só vez.
Cavidades ópticas fornecem leitura mais rápida de qubits
Num estudo publicado em Naturezaa equipe descreve um sistema que consiste em 40 cavidades ópticas, cada uma contendo um único qubit de um átomo, bem como um protótipo maior contendo mais de 500 cavidades. Os resultados apontam para um caminho realista para a construção de redes de computação quântica que poderão um dia incluir até um milhão de qubits.
“Se quisermos construir um computador quântico, precisamos ser capazes de ler informações de bits quânticos muito rapidamente”, disse John Simon, autor sênior do estudo e professor assistente do Departamento de Física e Física Aplicada da Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “Até agora, não havia uma maneira prática de fazer isso em escala, porque os átomos simplesmente não emitem luz com rapidez suficiente e, além disso, eles a expelem em todas as direções. Uma cavidade óptica pode efetivamente direcionar a luz emitida em uma direção específica, e agora descobrimos uma maneira de encaixar cada átomo de um computador quântico em sua própria cavidade separada.”
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 ficar entre espelhos em uma casa de diversões, onde os reflexos parecem se estender infinitamente à distância. Em ambientes científicos, essas cavidades são muito menores e usam múltiplas passagens de um feixe de laser para extrair informações dos átomos.
Embora as cavidades ópticas tenham sido estudadas há décadas, elas têm sido difíceis de usar com átomos porque os átomos são extremamente pequenos e quase transparentes. Fazer com que a luz interagisse com eles com força suficiente era um desafio constante.
Um novo design usando microlentes
Em vez de confiar em muitas re-reflexões, a equipe de Stanford inseriu microlentes dentro de cada cavidade para focar firmemente a luz em um único átomo. Mesmo com menos reflexos de luz, este método provou ser mais eficiente na extração de informações quânticas de um átomo.
“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, pesquisador da Universidade de Stanford e primeiro autor do estudo. “Esperamos que isso nos permita construir computadores quânticos distribuídos muito mais rápidos, que possam se comunicar entre si a taxas de dados muito mais altas”.
Além dos limites binários da computação clássica
Os computadores convencionais processam informações usando bits que representam zero ou um. Os computadores quânticos funcionam usando qubits, que são baseados nos estados quânticos de pequenas partículas. Um qubit pode representar zero, um ou ambos os estados ao mesmo tempo, permitindo que os sistemas quânticos lidem com certos cálculos com muito mais eficiência do que as máquinas clássicas.
“Um computador clássico tem que analisar as possibilidades uma por uma, procurando a resposta certa”, disse Simon. “Mas um computador quântico age como fones de ouvido com cancelamento de ruído que comparam combinações de respostas, amplificando as corretas e silenciando as incorretas”.
Escalando para supercomputadores quânticos
Os cientistas acreditam que os computadores quânticos precisariam de milhões de qubits para superar os supercomputadores mais poderosos da atualidade. Alcançar esse nível provavelmente exigirá a conexão de muitos computadores quânticos em grandes redes, segundo Simon. A interface paralela baseada em luz demonstrada neste estudo fornece uma estrutura eficiente para dimensionamento para essas dimensões.
Os pesquisadores demonstraram um conjunto 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. Olhando mais adiante, a equipe prevê a construção de data centers quânticos nos quais computadores quânticos individuais sejam conectados por meio de interfaces de rede baseadas em cavidades para criar supercomputadores quânticos em grande escala.
Impacto científico e tecnológico mais amplo
Persistem obstáculos significativos de engenharia, mas os investigadores acreditam que os benefícios potenciais são substanciais. 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 captar luz de forma eficiente também 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 até contribuir para a astronomia, permitindo telescópios ópticos com resolução melhorada, permitindo potencialmente aos cientistas observar diretamente planetas que orbitam estrelas fora do nosso sistema solar.
“Penso que se compreendermos mais sobre como manipular a luz ao nível de uma única partícula, isso mudará a nossa capacidade de ver o mundo”, disse Shaw.
Simon também é Professor Joan Reinhart de Física e Física Aplicada. Shaw também é Felix Bloch e Urbanek-Khodarov Fellow.
Co-autores adicionais de Stanford incluem David Schuster, Professor de Física Aplicada Joan Reinhart, e bolsistas de pós-doutorado Anna Soper, Daniel Shadmani e Da-Yeon Ko.
Outros coautores incluem pesquisadores da Stony Brook University, da Universidade de Chicago, da Universidade de Harvard e da Universidade Estadual de Montana.
Esta 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, da Universidade de Montana, e Simon atuam como consultores e possuem opções de ações na Atom Computing. Shadmani, Jaffe, Schuster e Simon, juntamente com Aishwarya Kumar de Stony Brook, detêm uma patente sobre a geometria do ressonador demonstrada neste trabalho.
