Os computadores quânticos precisarão de grandes quantidades de qubits para enfrentar problemas desafiadores em física, química e além. Ao contrário dos bits clássicos, os qubits podem existir em dois estados ao mesmo tempo — um fenômeno chamado superposição. Essa peculiaridade da física quântica confere aos computadores quânticos o potencial de realizar determinados cálculos complexos melhor do que seus homólogos clássicos, mas também significa que os qubits são frágeis. Para compensar, os pesquisadores estão construindo computadores quânticos com qubits extras e redundantes para corrigir quaisquer erros. É por isso que computadores quânticos robustos exigirão centenas de milhares de qubits.
Agora, em uma etapa em direção a essa visão, físicos do Caltech criaram a maior matriz de qubits já montada: 6.100 qubits de átomos neutros presos em uma grade por lasers. Matrizes anteriores desse tipo continham apenas centenas de qubits.
Esse marco ocorre em meio a uma corrida crescente para aumentar a escalabilidade dos computadores quânticos. Existem várias abordagens em desenvolvimento, incluindo aquelas baseadas em circuitos supercondutivos, íons aprisionados e átomos neutros, como utilizado no novo estudo.
“Este é um momento empolgante para a computação quântica de átomos neutros”, diz Manuel Endres, professor de física no Caltech. “Agora podemos ver um caminho para grandes computadores quânticos com correção de erros. Os blocos de construção estão no lugar.” Endres é o investigador principal da pesquisa publicada em 24 de setembro na Nature. Três estudantes de pós-graduação do Caltech lideraram o estudo: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura e Elie Bataille.
A equipe usou pinças ópticas – feixes de laser altamente focados – para prender milhares de átomos individuais de césio em uma grade. Para construir a matriz de átomos, os pesquisadores dividiram um feixe de laser em 12.000 pinças, que juntas seguraram 6.100 átomos em uma câmara de vácuo. “Na tela, podemos realmente ver cada qubit como um ponto de luz”, diz Manetsch. “É uma imagem impressionante do hardware quântico em larga escala.”
Uma conquista importante foi mostrar que essa maior escala não veio à custa da qualidade. Mesmo com mais de 6.000 qubits em uma única matriz, a equipe os manteve em superposição por cerca de 13 segundos — quase 10 vezes mais do que o que era possível em matrizes semelhantes anteriores — enquanto manipulava qubits individuais com uma precisão de 99,98%. “Grande escala, com mais átomos, muitas vezes é pensado como algo que vem à custa da precisão, mas nossos resultados mostram que podemos fazer ambos”, diz Nomura. “Qubits não são úteis sem qualidade. Agora temos quantidade e qualidade.”
A equipe também demonstrou que poderia mover os átomos centenas de micrômetros pela matriz enquanto mantinha a superposição. A capacidade de deslocar qubits é uma característica fundamental dos computadores quânticos de átomos neutros, permitindo uma correção de erros mais eficiente em comparação com plataformas tradicionais, como qubits supercondutivos.
Manetsch compara a tarefa de mover os átomos individuais enquanto os mantém em estado de superposição a equilibrar um copo de água enquanto corre. “Tentar segurar um átomo enquanto se move é como tentar não deixar o copo de água tombar. Tentar também manter o átomo em um estado de superposição é como ter cuidado para não correr tão rápido a ponto de a água respingar”, diz ela.
O próximo grande marco para o campo é implementar a correção de erros quânticos na escala de milhares de qubits físicos, e este trabalho mostra que os átomos neutros são um forte candidato para alcançar isso. “Os computadores quânticos terão que codificar informações de uma maneira que seja tolerante a erros, para que possamos realmente fazer cálculos valiosos”, diz Bataille. “Ao contrário dos computadores clássicos, os qubits não podem simplesmente ser copiados devido ao chamado teorema da não-clonagem, então a correção de erros deve depender de estratégias mais sutis.”
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam conectar os qubits em sua matriz em um estado de emaranhamento, onde as partículas se tornam correlacionadas e se comportam como um só. O emaranhamento é um passo necessário para que os computadores quânticos vão além de simplesmente armazenar informações em superposição; o emaranhamento permitirá que eles comecem a realizar cálculos quânticos completos. Ele também confere aos computadores quânticos seu poder supremo — a capacidade de simular a própria natureza, onde o emaranhamento molda o comportamento da matéria em todas as escalas. O objetivo é claro: aproveitar o emaranhamento para desbloquear novas descobertas científicas, desde revelar novas fases da matéria até orientar a criação de novos materiais e modelar os campos quânticos que governam o espaço-tempo.
“É empolgante que estamos criando máquinas para nos ajudar a aprender sobre o universo de maneiras que apenas a mecânica quântica pode nos ensinar”, diz Manetsch.
O novo estudo, “Uma matriz de pinças com 6100 qubits atômicos altamente coesos”, foi financiado pela Gordon and Betty Moore Foundation, pela Weston Havens Foundation, pela National Science Foundation por meio de seu Graduate Research Fellowship Program e pelo Institute for Quantum Information and Matter (IQIM) no Caltech, pelo Army Research Office, pelo Departamento de Energia dos EUA, incluindo seu Quantum Systems Accelerator, pela Defense Advanced Research Projects Agency, pelo Air Force Office for Scientific Research, pela Heising-Simons Foundation e pela AWS Quantum Postdoctoral Fellowship. Outros autores incluem Kon H. Leung, do Caltech, associado de pesquisa pós-doutoral sênior em física da AWS Quantum, e o ex-pesquisador pós-doutoral do Caltech, Xudong Lv, agora na Academia Chinesa de Ciências.