Uma pequena armadilha luminosa poderia desbloquear milhões de computadores quânticos qubit

Uma equipe liderada por físicos da Universidade de Stanford desenvolveu um novo tipo de cavidade óptica 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 permitem leitura mais rápida de Qubit

Em pesquisa publicada em Naturezaa equipe descreve um sistema composto por 40 cavidades ópticas, cada uma contendo um único qubit de átomo, junto com um protótipo maior que contém 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 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 física aplicada na 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 guiar eficientemente a luz emitida em uma direção específica, e agora descobrimos 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 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 passagens repetidas 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. Conseguir que a luz interaja com eles com força suficiente tem sido um desafio persistente.

Um novo design usando microlentes

Em vez de confiar em muitas reflexões repetidas, a equipe de Stanford introduziu 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 eficaz na extração de informações quânticas do átomo.

“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, pesquisador de ciências de Stanford e primeiro autor 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

Os computadores convencionais processam informações usando bits que representam zero ou um. Os computadores quânticos operam 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 correta”, disse Simon. “Mas um computador quântico funciona como fones de ouvido com cancelamento de ruído que comparam combinações de respostas, amplificando as respostas certas e abafando as erradas”.

Escalando em direção a supercomputadores quânticos

Os cientistas estimam que os computadores quânticos precisarão de milhões de qubits para superar o desempenho dos supercomputadores mais poderosos da atualidade. De acordo com Simon, atingir esse nível provavelmente exigirá a conexão de muitos computadores quânticos em grandes redes. A interface paralela baseada em luz demonstrada neste estudo fornece uma base eficiente para aumentar a escala para esses tamanhos.

Os pesquisadores mostraram uma matriz funcional de 40 cavidades no estudo atual, juntamente com 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 centros de dados quânticos nos quais computadores quânticos individuais sejam conectados por meio de interfaces de rede baseadas em cavidades para formar 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. Computadores quânticos em 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 decifração de códigos.

A capacidade de coletar luz com eficiência também tem implicações que vão além da computação. Matrizes de cavidades poderiam melhorar o biossensor e a microscopia, apoiando o progresso na pesquisa médica e biológica. As redes quânticas podem até contribuir para a astronomia, permitindo telescópios ópticos com resolução melhorada, permitindo potencialmente aos cientistas observar diretamente planetas que orbitam estrelas além do nosso sistema solar.

“À medida que entendemos mais sobre como manipular a luz a um nível de partícula única, penso que isso irá transformar 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 Fellow e Urbanek-Chodorow Fellow.

Co-autores adicionais de Stanford incluem David Schuster, o Professor Joan Reinhart de Física Aplicada, e os estudantes de doutorado Anna Soper, Danial Shadmany e Da-Yeon Koh.

Outros coautores incluem pesquisadores da Stony Brook University, da University of Chicago, da Harvard University e da Montana State University.

Esta pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation, 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 Montana State University, e Simon atuam como consultores e detêm opções de ações na Atom Computing. Shadmany, Jaffe, Schuster e Simon, bem como Aishwarya Kumar de Stony Brook, detêm uma patente sobre a geometria do ressonador demonstrada neste trabalho.