Computação quântica com qubits atômicos mais próxima da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/02/2022

Os íons (em azul) podem ser selecionados e presos por pinças ópticas (em vermelho). Campos elétricos são então usados para implementar uma porta lógica entre eles.
[Imagem: UvA]

Íons aprisionados

Físicos holandeses idealizaram uma nova arquitetura híbrida para um computador quântico mais simples de construir e mais fácil de escalonar, ou seja, de ser fabricado com um maior número de qubits.

E a proposta envolve qubits que consistem em átomos individuais, presos por raios laser, uma das técnicas consideradas mais avançadas e mais promissoras para fabricar um processador quântico, embora esteja se mostrando particularmente difícil de implementar na prática.

Matteo Mazzanti e seus colegas da Universidade de Amsterdã partiram da plataforma já conhecida de qubits na forma de íons aprisionados por pinças ópticas. Íons são átomos que têm excesso ou falta de elétrons e, como resultado, são eletricamente carregados, e pinças ópticas são arranjos especiais que usam a força de radiação da luz para aprisionar pequenas partículas - elas valeram o Nobel de Física de 2018 aos seus criadores.

A novidade introduzida pela equipe está em um novo modo de usar as pinças ópticas para controlar os qubits e na adição de campos elétricos oscilantes para interligar os qubits.

Tirando proveito do movimento coletivo dos átomos constituintes, a equipe demonstrou que é possível construir novos blocos lógicos fundamentais para a computação quântica que apresentam menos dificuldades técnicas do que os métodos atuais de última geração.

Cristal quântico

Os íons presos pela luz ficam a distâncias bem definidas uns dos outros, formando um autêntico cristal artificial. Para funcionar como um processador quântico, os íons precisam se mover individualmente mas, mais importante, precisam se mover como um todo, porque esses coletivos facilitam as interações entre pares individuais de íons, permitindo que esses qubits atômicos troquem informações.

O movimento individual é fácil de fazer, bastando controlar cada pinça óptica, mas o movimento coordenado do cristal tem-se mostrado complicado de ser feito com precisão.

Já existem propostas para criar portas lógicas apenas com luz, dispensando os íons.
[Imagem: Jung-Tsung Shen]

A proposta de Mazzanti é fazer isso usando não o movimento coordenado das pinças ópticas, mas um campo elétrico uniforme aplicado a todo o cristal.

A homogeneidade do campo elétrico garante que ele só permitirá que dois íons se movam juntos com todos os outros íons no cristal. Como resultado, a força de interação entre os dois íons selecionados é fixa, independentemente da distância entre eles, o que é um ganho adicional de valor inestimável, já que permite a comunicação entre qubits distantes.

Assim como os processadores eletrônicos atuais, um processador quântico faz seus cálculos usando porta lógicas, que são pequenos blocos computacionais que realizam análogos quânticos das operações "AND", "OR", "NOR" etc. Nos processadores quânticos de íons aprisionados, a implementação e a operação dessas portas depende das interações entre os íons.

Nesta nova configuração, o fato de essas interações não dependerem da distância entre os qubits significa que a duração da operação de cada porta lógica também é independente dessa distância.

Como resultado, esse esquema para computação quântica é inerentemente escalonável e, comparado a outros esquemas de computação quântica de última geração, apresenta menos desafios técnicos para se chegar a computadores fáceis de operar.

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