Experimento que quebrou recordes pode resolver um enorme desafio na computação quântica: WebCuriosos

Dois átomos inflados a um tamanho quase cômico e resfriados a uma fração acima do zero absoluto foram usados ​​para gerar uma porta quântica de dois qubits robusta e incrivelmente rápida que poderia ajudar a superar alguns dos desafios persistentes da computação quântica.

Como uma porta de dois qubits é o alicerce fundamental de computadores quânticos eficientes, essa descoberta tem enormes implicações. Isso poderia levar a um novo tipo de arquitetura de computador quântico que rompe as limitações atuais para operações quânticas sem ruído.

Qubit é uma contração, abreviação do termo “bit quântico”. É o equivalente em computação quântica de um bit convencional – a unidade básica de informação na qual se baseia a tecnologia de computação.

Para resolver um problema à moda antiga, a informação (e a lógica usada para calculá-la) é representada por um sistema binário. Assim como um interruptor de luz, as unidades que compõem este sistema estão todas no estado exclusivo de ligadas ou desligadas. Ou, como são frequentemente descritos, como um ou zero.

O que torna a computação quântica muito mais poderosa é que os qubits podem estar em ambos simultaneamente, em um estado conhecido como superposição quântica. Por si só, um qubit não é exatamente um computador. Combinados (ou emaranhados) com as superposições de outros qubits, entretanto, eles podem representar alguns algoritmos seriamente poderosos.

A porta de dois qubits é uma operação lógica baseada no estado quântico de dois qubits emaranhados. É o componente mais simples de um computador quântico, permitindo que qubits sejam emaranhados e lidos.

Os cientistas têm experimentado portas quânticas baseadas em diferentes materiais há algum tempo e alcançaram alguns avanços extraordinários. No entanto, um problema continuou a ser significativo: as superposições dos qubits podem degradar-se rápida e facilmente graças ao emaranhamento de fontes externas também.

Acelerar a porta é a melhor maneira de resolver esse problema: como essa intrusão é geralmente mais lenta que um milionésimo de segundo (um microssegundo), uma porta quântica mais rápida do que isso será capaz de “ultrapassar” o ruído para produzir dados precisos. cálculos.

Para atingir esse objetivo usando uma abordagem ligeiramente diferente da usual, uma equipe de pesquisadores liderada pelo físico Yeelai Chew, do Instituto Nacional de Ciências Naturais do Japão, recorreu a uma configuração complicada.

Os próprios qubits são átomos do metal rubídio em seu estado gasoso. Usando lasers, esses átomos foram resfriados até quase o zero absoluto e posicionados a uma distância precisa em escala micrométrica um do outro usando pinças ópticas – feixes de laser que podem ser usados ​​para manipular objetos em escala atômica.

Então, os físicos pulsaram os átomos com lasers. Isso derrubou os elétrons da distância orbital mais próxima de cada um dos núcleos atômicos para uma separação orbital muito ampla, transformando os átomos em objetos conhecidos como átomos de Rydberg. Isso produziu uma troca periódica de forma orbital e energia eletrônica de 6,5 nanossegundos entre os agora enormes átomos.

Usando mais pulsos de laser, a equipe de pesquisa conseguiu realizar uma operação de porta quântica entre os dois átomos. A velocidade dessa operação foi de 6,5 bilionésimos de segundo (nanossegundos) – mais de 100 vezes mais rápida do que qualquer experimento anterior com átomos de Rydberg, disseram os pesquisadores, o que estabelece um novo recorde para portas quânticas baseadas neste tipo específico de tecnologia.

Isso não bate o recorde geral de operações de porta quântica de dois qubits mais rápidas até agora. Isso foi alcançado em 2019, usando átomos de fósforo no silício, alcançando impressionantes 0,8 nanossegundos; mas o novo trabalho envolve uma abordagem diferente que poderia contornar algumas das limitações de outros tipos atualmente em desenvolvimento.

Além disso, explorar diferentes arquiteturas pode levar a pistas que ajudem a minimizar deficiências em outros tipos de hardware.

Os próximos passos, disse a equipe, são bastante claros. Eles precisam substituir o laser comercial por um específico, a fim de melhorar a precisão, uma vez que o laser pode contribuir para o ruído; e implementar melhores técnicas de controle.

A pesquisa foi publicada em Fotônica da Natureza.