Pêndulo de Newton empurrra computadores quânticos para novo patamar

A inspiração veio de um brinquedo mecânico, mas a implementação é baseada em luz e átomos individuais.
[Imagem: ANU]

Pêndulo quântico de Newton

Você conhece o pêndulo de Newton, o brinquedo com uma fileira de esferas de metal dependuradas: Quando uma esfera é puxada para trás e solta, ela transfere seu momento linear diretamente através das outras, até a bola na extremidade oposta, que oscila mesmo parecendo que nada a impulsionou.

O que se descobriu agora é que dá para usar o mesmo princípio para transmitir informações quânticas através de uma cadeia de qubits, o que promete operações mais rápidas e até levar a computação quântica a um novo patamar.

Esta possibilidade existe se usarmos uma espécie de pêndulo de Newton fotônico: Um laser é usado para fornecer um pulso de energia precisamente projetado a uma fileira de íons aprisionados, para prepará-los rapidamente para cálculos quânticos, conhecidos como portas lógicas.

O grande diferencial está na possibilidade de entrelaçar rapidamente quaisquer dois íons na sequência, sem afetar os que estão entre eles: Como acontece com as esferas no pêndulo de Newton, a energia viaja através dos íons, deixando os qubits intermediários intactos.

"O segredo da computação quântica não está em criar muitos qubits, mas sim em usar muitos qubits. Para ter sucesso, você precisa da tríade implacável de velocidade da porta, qualidade da porta e número de qubits," detalhou Zain Mehdi, da Universidade Nacional Australiana. "Estas novas portas rápidas eliminam os gargalos. Acredito que, com seu potencial de escalabilidade, não há outra abordagem tão bem-sucedida atualmente quanto a de íons aprisionados."

Esquema dos "chutes" de luz executados pelos pulsos de laser nos qubits.
[Imagem: Isabelle Savill-Brown et al. - 10.1103/4thn-7wyf]

Qubits de íons aprisionados

Embora outras tecnologias possuam um número maior de qubits, os íons aprisionados têm vantagem quando a computação quântica é avaliada por uma métrica conhecida como volume quântico. O recorde atual de volume quântico pertence à empresa Quantinuum, devido à sua combinação de um grande número de qubits, que armazenam seus dados (tempo de coerência) e possuem conexões de baixo ruído para realizar operações (as portas lógicas) - esses são os ingredientes cruciais para cálculos quânticos bem-sucedidos.

Esses qubits consistem em íons individuais presos em armadilhas eletrostáticas, que permanecem estáveis por semanas ou até mais. Eles são mantidos no vácuo e resfriados a laser, dispensando as temperaturas criogênicas. O controle dos qubits é preciso e eficaz, feito por meio de lasers.

O novo projeto do pêndulo de Newton fotônico adiciona mais uma vantagem às capacidades das plataformas de íons aprisionados: O sistema de laser pode endereçar e entrelaçar rapidamente qualquer par arbitrário de íons, permitindo a flexibilidade máxima para os cálculos.

"Agora que mudamos para um regime de parâmetros diferente, temos uma visão clara de como escalar para milhões de portas em centenas de qubits. Isso possibilitaria a realização de simulações quânticas necessárias para o desenvolvimento de medicamentos ou materiais," disse o professor Joe Hope. "As portas lógicas atuais operam em um regime adiabático que é lento; mas não há nenhuma razão física que nos impeça de ir mais rápido."

Foi um processador de íons aprisionados que demonstrou a simulação quântica de uma reação química pela primeira vez.
[Imagem: Tomas Navickas et al. - 10.1021/jacs.5c03336]

Qubits heterogêneos

O novo esquema de portas quânticas permite endereçar quaisquer dois qubits em uma linha de trinta a quarenta qubits e, ao contrário das portas adiabáticas convencionais, não é necessário que os qubits sejam todos do mesmo tipo.

Ter íons diferentes na cadeia aumenta a flexibilidade, permitindo inserir qubits especializados, cada um com diferentes vantagens - por exemplo, resfriamento, armazenamento ou interligação. Há também uma vantagem técnica, já que íons diferentes respondem a diferentes comprimentos de onda do laser.

"O aumento na velocidade das portas lógicas e na eficiência computacional permite circuitos mais complexos, uso mais eficaz dos qubits e maior taxa de transferência do sistema, aproximando a computação quântica da escalabilidade prática e de aplicações no mundo real," disse o professor Hope.

Outra vantagem do projeto está na possibilidade de conectar vários pêndulos de Newton, permitindo abordar problemas quânticos mais complexos. Mesmo que as cadeias de íons estejam fisicamente separadas, fibras ópticas podem ser usadas para criar interconexões fotônicas entre elas.

Bibliografia:

Artigo: Error-resilient fast entangling gates for scalable ion-trap quantum processors
Autores: Isabelle Savill-Brown, Zain Mehdi, Alexander K. Ratcliffe, Varun D. Vaidya, Haonan Liu, Simon A. Haine, C. Ricardo Viteri, Joseph J. Hope
Revista: Physical Review A
Vol.: 113, 052610
DOI: 10.1103/4thn-7wyf

 Pêndulo quântico de Newton promete revolucionar computação quântica