Após anos de progressos lentos, os pesquisadores podem finalmente estar vendo um caminho claro em sua busca para construir computadores quânticos poderosos. Espera-se que essas máquinas reduzam drasticamente o tempo necessário para certos cálculos, transformando problemas que levariam milhares de anos para computadores clássicos 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 eficientemente fótons únicos, as partículas básicas da luz, emitidos por átomos individuais. Esses átomos servem como os componentes centrais de um computador quântico, pois armazenam qubits, que são o equivalente quântico dos zeros e uns usados na computação tradicional. Pela primeira vez, essa abordagem permite coletar informações de todos os qubits ao mesmo tempo.
Cavidades Ópticas Aceleram a Leitura de Qubits
Na pesquisa publicada na Nature, a equipe descreve um sistema composto por 40 cavidades ópticas, cada uma abrigando um qubit atômico, juntamente com um protótipo maior que contém mais de 500 cavidades. Os resultados apontam para uma rota realista em direção à construção de redes de computação quântica que um dia poderiam incluir até um milhão de qubits.
“Se queremos fazer um computador quântico, precisamos ser capazes de ler informações dos bits quânticos muito rapidamente”, disse Jon Simon, autor sênior do estudo e professor associado de física e de física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “Até agora, não havia uma forma prática de fazer isso em grande escala, porque os átomos simplesmente não emitem luz rápido o suficiente e, além disso, a speciam em todas as direções. Uma cavidade óptica pode guiar eficientemente a luz emitida para uma direção específica, e agora encontramos uma maneira de equipar cada átomo em um computador quântico dentro de sua própria cavidade individual.”
Como as Cavidades Ópticas Controlam a Luz
Uma cavidade óptica funciona aprisionando a luz entre duas ou mais superfícies reflexivas, fazendo-a refletir de volta e para a frente. O efeito pode ser comparado a estar 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 passagens repetidas de um feixe de laser para extrair informações dos átomos.
Embora as cavidades ópticas tenham sido estudadas por décadas, elas têm sido difíceis de usar com átomos porque os átomos são extremamente pequenos e quase transparentes. Fazer a luz interagir com eles de forma suficientemente forte tem sido um desafio persistente.
Um Novo Design Usando Microlentes
Em vez de depender de muitas reflexões repetidas, a equipe de Stanford introduziu microlentes dentro de cada cavidade para focar a luz de maneira precisa em um único átomo. Mesmo com menos reflexões de luz, esse método se mostrou mais eficaz em extrair informações quânticas do átomo.
“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, um Bolsista de Ciências de Stanford e autor principal do estudo. “Esperamos que isso nos permita construir computadores quânticos distribuídos dramaticamente mais rápidos que possam se comunicar entre si com taxas de dados muito mais rápidas.”
Além dos Limites Binários da Computação Clássica
Computadores convencionais processam informações usando bits que representam zero ou um. Computadores quânticos operam com qubits, que são baseados nos estados quânticos de partículas minúsculas. Um qubit pode representar zero, um ou ambos os estados ao mesmo tempo, permitindo que sistemas quânticos lidem com certos cálculos de forma muito mais eficiente do que máquinas clássicas.
“Um computador clássico precisa passar pelas possibilidades uma a uma, procurando a resposta correta”, disse Simon. “Mas um computador quântico age como fones de ouvido com cancelamento de ruído que comparam combinações de respostas, amplificando as corretas enquanto abafam as erradas.”
Escalando em Direção a Supercomputadores Quânticos
Cientistas estimam que computadores quânticos precisarão de milhões de qubits para superar os supercomputadores mais poderosos de hoje. Segundo Simon, atingir esse nível provavelmente exigirá conectar muitos computadores quânticos a grandes redes. A interface baseada em luz paralela demonstrada neste estudo fornece uma fundação eficiente para escalar para esses tamanhos.
Os pesquisadores mostraram um arranjo funcional de 40 cavidades no estudo atual, juntamente com um sistema de prova de conceito contendo mais de 500 cavidades. O próximo objetivo é expandir para dezenas de milhares. Olhando para o futuro, a equipe imagina centros de dados quânticos nos quais computadores quânticos individuais estão conectados por interfaces de rede baseadas em cavidades para formar supercomputadores quânticos de grande escala.
Impacto Científico e Tecnológico Mais Amplo
Desafios significativos de engenharia permanecem, mas os pesquisadores acreditam que os benefícios potenciais são substanciais. Computadores quânticos de grande escala poderiam levar a avanços no design de materiais e na síntese química, incluindo aplicações relacionadas à descoberta de medicamentos, bem como avanços na quebra de códigos.
A capacidade de coletar luz de forma eficiente também tem implicações além da computação. Arranjos de cavidades poderiam melhorar biossensores e microscopia, apoiando o progresso em pesquisas médicas e biológicas. Redes quânticas podem até contribuir para a astronomia, permitindo telescópios ópticos com resolução aprimorada, permitindo potencialmente que cientistas observem diretamente planetas orbitando estrelas além do nosso sistema solar.
“À medida que entendemos mais sobre como manipular a luz em nível de partículas únicas, acho que isso transformará nossa capacidade de ver o mundo”, disse Shaw.
Simon é também o Professor Joan Reinhart de Física & Física Aplicada. Shaw é também um Bolsista Felix Bloch e um Bolsista Urbanek-Chodorow.
Os co-autores adicionais de Stanford incluem David Schuster, o Professor Joan Reinhart de Física Aplicada, e os doutorandos Anna Soper, Danial Shadmany e Da-Yeon Koh.
Outros co-autores incluem pesquisadores da Universidade Stony Brook, da Universidade de Chicago, da Universidade de Harvard e da Universidade Estadual de Montana.
Esta pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciência, 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, da Universidade Estadual de Montana, e Simon atuam como consultores e possuem opções de ações na Atom Computing. Shadmany, Jaffe, Schuster e Simon, assim como Aishwarya Kumar, da Stony Brook, possuem uma patente sobre a geometria do ressonador demonstrada neste trabalho.