Na busca pelo hardware mais escalável para uso em computadores quânticos, os qubits feitos de átomos individuais estão passando por um momento de ruptura.
No final do ano passado, a gigante tecnológica IBM anunciou o que pode parecer um marco na computação quântica: o primeiro chip, chamado Condor, com mais de 1.000 bits quânticos, ou qubits.
Dado que isso aconteceu apenas dois anos depois que a empresa revelou o Eagle, o primeiro chip com mais de 100 qubits, parecia que o campo estava avançando.
Fazer computadores quânticos que possam resolver problemas úteis além do escopo até mesmo dos mais poderosos supercomputadores clássicos de hoje exige aumentá-los ainda mais – talvez para muitas dezenas ou centenas de milhares de qubits.
Mas isso certamente é apenas uma questão de engenharia, certo? Não necessariamente.
Os desafios da expansão são tão grandes que alguns investigadores pensam que será necessário um hardware totalmente diferente da microelectrónica utilizada por empresas como a IBM e a Google.
Os qubits do Condor e do chip Sycamore do Google são feitos de loops de material supercondutor.
Até agora, esses qubits supercondutores têm sido a lebre na corrida para a computação quântica em grande escala.
Mas agora há uma tartaruga vindo de trás: qubits feitos de átomos individuais.
Avanços recentes transformaram esses “qubits de átomos neutros? de estranhos em concorrentes líderes.
“Os últimos dois ou três anos testemunharam avanços mais rápidos do que qualquer período anterior”, disse o físico Mark Saffman, da Universidade de Wisconsin, Madison, que contou pelo menos cinco empresas correndo para comercializar a computação quântica de átomos neutros.
Como os bits em computadores comuns, os qubits codificam informações binárias – 1s e 0s.
Mas enquanto um bit está sempre num estado ou noutro, a informação num qubit pode ficar indeterminada, numa chamada “superposição? que dá peso a ambas as possibilidades.
Para realizar um cálculo, os qubits são interligados por meio do fenômeno denominado emaranhamento quântico, que torna seus possíveis estados interdependentes.
Um algoritmo quântico específico pode exigir uma sucessão de emaranhados entre diferentes conjuntos de qubits, e a resposta é lida no final do cálculo quando uma medição é feita, reduzindo cada superposição a um 1 ou 0 definido.
Estados quânticos de átomos neutros para codificar informações desta forma foram propostos no início dos anos 2000 pelo físico de Harvard Mikhail Lukin e colegas, e também por um grupo liderado por Ivan Deutsch, da Universidade do Novo México.
Durante muito tempo, a comunidade de investigação mais ampla concordou que a computação quântica de átomos neutros era uma grande ideia em princípio, disse Lukin, mas que “simplesmente não funciona? na prática.
“Mas 20 anos depois, as outras abordagens não fecharam o acordo”, disse Saffman.
“E o conjunto de habilidades e as técnicas necessárias para fazer os átomos neutros funcionarem têm evoluído gradualmente até o ponto em que parecem muito promissores.” O laboratório de Lukin em Harvard está entre os que lideram o caminho.
Em dezembro, ele e seus colegas relataram que criaram circuitos quânticos programáveis com centenas de qubits de átomos neutros e realizaram cálculos quânticos e correção de erros com eles.
E este mês, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia relatou que criou um conjunto de 6.100 qubits atômicos.
Tais resultados estão conquistando cada vez mais adeptos a esta abordagem.
“Dez anos atrás, eu não teria incluído esses métodos [de átomos neutros] se estivesse protegendo as apostas sobre o futuro da computação quântica”, disse Andrew Steane, teórico da informação quântica da Universidade de Oxford.
“Isso teria sido um erro.” Batalha de Qubits Uma questão fundamental na disputa entre tipos de qubits é por quanto tempo cada tipo de qubit pode manter sua superposição antes de ser alterado por alguma flutuação aleatória (por exemplo, térmica).
Para qubits supercondutores como os da IBM e do Google, esse “tempo de coerência? é normalmente em torno de um milissegundo, na melhor das hipóteses.
Todas as etapas de uma computação quântica devem acontecer dentro desse prazo.
Uma vantagem de codificar informações nos estados de átomos individuais é que seus tempos de coerência são normalmente muito mais longos.
Além disso, ao contrário dos circuitos supercondutores, os átomos de um determinado tipo são todos idênticos, pelo que não são necessários sistemas de controle personalizados para introduzir e manipular estados quânticos subtilmente diferentes.
E embora a fiação usada para conectar qubits supercondutores em circuitos quânticos possa se tornar terrivelmente complicada – ainda mais à medida que o sistema aumenta – nenhuma fiação é necessária no caso dos átomos.
Todo o emaranhamento é feito com luz laser.
Este benefício inicialmente apresentou um desafio.
Há uma tecnologia bem desenvolvida para criar circuitos e fios microeletrônicos complicados, e uma razão provável pela qual a IBM e o Google investiram inicialmente em qubits supercondutores não é porque estes eram obviamente os melhores, mas porque exigiam o tipo de circuito ao qual essas empresas estão acostumadas, disse Stuart Adams, físico da Universidade de Durham, no Reino Unido, que trabalha com computação quântica de átomos neutros.
“A óptica atômica baseada em laser parecia totalmente desconhecida para eles.
Toda a engenharia é completamente diferente.”
Há uma tecnologia bem desenvolvida para criar circuitos e fios microeletrônicos complicados, e uma razão provável pela qual a IBM e o Google investiram inicialmente em qubits supercondutores não é porque estes eram obviamente os melhores, mas porque exigiam o tipo de circuito ao qual essas empresas estão acostumadas, disse Stuart Adams, físico da Universidade de Durham, no Reino Unido, que trabalha com computação quântica de átomos neutros.
“A óptica atômica baseada em laser parecia totalmente desconhecida para eles.
Toda a engenharia é completamente diferente.” Para implementar um algoritmo quântico, os pesquisadores primeiro codificam informações quânticas em um par de níveis de energia atômica, usando lasers para alternar elétrons entre os níveis.
Eles então emaranham os estados dos átomos ativando as interações de Rydberg entre eles.
Um determinado átomo pode ser excitado para um estado de Rydberg ou não, dependendo de qual dos dois níveis de energia seu elétron está – apenas um deles está na energia certa para ressoar com a frequência do laser de excitação.
E se o átomo estiver interagindo com outro, essa frequência de excitação muda ligeiramente, de modo que o elétron não ressoará com a luz e não será capaz de dar o salto.
Isso significa que apenas um ou outro de um par de átomos em interação pode sustentar um estado de Rydberg a qualquer momento; seus estados quânticos estão correlacionados – ou em outras palavras, emaranhados.
Este chamado bloqueio de Rydberg, proposto pela primeira vez por Lukin e colegas em 2001 como uma forma de emaranhar qubits de átomos de Rydberg, é um efeito de tudo ou nada: ou há um bloqueio de Rydberg ou não.
“O bloqueio de Rydberg torna digitais as interações entre os átomos”, disse Lukin.
No final do cálculo, os lasers leem os estados dos átomos: se um átomo estiver no estado ressonante com a iluminação, a luz será espalhada, mas se estiver no outro estado, não haverá espalhamento.
Em 2004, uma equipe da Universidade de Connecticut demonstrou um bloqueio de Rydberg entre átomos de rubídio, presos e resfriados a apenas 100 microkelvins acima do zero absoluto.
Eles resfriaram os átomos usando lasers para “sugar? a energia térmica dos átomos.
A abordagem significa que, ao contrário dos qubits supercondutores, os átomos neutros não requerem resfriamento criogênico nem refrigerantes pesados.
Estes sistemas podem, portanto, ser tornados muito compactos.
“O aparelho como um todo está à temperatura ambiente”, disse Saffman.
“A um centímetro desses átomos superfrios, você tem uma janela de temperatura ambiente.” Em 2010, Saffman e seus colegas relataram a primeira porta lógica – um elemento fundamental dos computadores, na qual um ou mais sinais de entrada binários geram uma saída binária específica – feita a partir de dois átomos usando o bloqueio de Rydberg.
Depois, o que é crucial, em 2016, a equipe de Lukin e os grupos de investigação em França e na Coreia do Sul descobriram, de forma independente, como carregar muitos átomos neutros em conjuntos de armadilhas ópticas e movê-los à vontade.
“Esta inovação trouxe nova vida ao campo”, disse Stephan Dürr, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, que utiliza átomos de Rydberg para experiências em processamento de informação quântica baseada em luz.
Grande parte do trabalho até agora utiliza átomos de rubídio e césio, mas o físico Jeff Thompson, da Universidade de Princeton, prefere codificar a informação nos estados de spin nuclear de átomos metálicos como o estrôncio e o itérbio, que têm tempos de coerência ainda mais longos.
Em outubro passado, Thompson e colegas relataram portas lógicas de dois qubits feitas a partir desses sistemas.
E os bloqueios de Rydberg não precisam ser entre átomos isolados.
No verão passado, Adams e seus colegas mostraram que poderiam criar um bloqueio de Rydberg entre um átomo e uma molécula presa, que eles fizeram artificialmente usando uma pinça óptica para puxar um átomo de césio próximo a um átomo de rubídio.
A vantagem dos sistemas híbridos átomo-molécula é que os átomos e as moléculas têm energias muito diferentes, o que poderia facilitar a manipulação de um sem afetar os outros.
Além do mais, os qubits moleculares podem ter tempos de coerência muito longos.
Adams enfatiza que tais sistemas híbridos estão pelo menos 10 anos atrás dos sistemas totalmente atômicos, e o emaranhamento de dois desses qubits ainda não foi alcançado.
“Os sistemas híbridos são realmente difíceis”, disse Thompson, “mas provavelmente seremos forçados a fazê-los em algum momento”.
Qubits de alta fidelidade Nenhum qubit é perfeito: todos podem incorrer em erros.
E se estes não forem detectados e corrigidos, eles embaralharão o resultado do cálculo.
Mas um grande obstáculo para toda a computação quântica é que os erros não podem ser identificados e corrigidos como acontece nos computadores clássicos, onde um algoritmo simplesmente monitora em que estados os bits estão, fazendo cópias.
A chave para a computação quântica é que os estados dos qubits permanecem indeterminados até que o resultado final seja lido.
Se você tentar medir esses estados antes desse ponto, o cálculo será encerrado.
Como, então, os qubits podem ser protegidos de erros que nem conseguimos monitorar? Uma resposta é espalhar informações por muitos qubits físicos – constituindo um único “qubit lógico? – para que um erro em um deles não corrompa as informações que eles codificam coletivamente.
Isso só se torna prático se o número de qubits físicos necessários para cada qubit lógico não for muito grande.
Essa sobrecarga depende em parte do algoritmo de correção de erros usado.
Qubits lógicos com correção de erros foram demonstrados com qubits supercondutores e de íons aprisionados, mas até recentemente não estava claro se eles podem ser feitos de átomos neutros.
Isso mudou em dezembro, quando a equipe de Harvard revelou conjuntos de várias centenas de átomos de rubídio presos e executou algoritmos em 48 qubits lógicos, cada um feito de sete ou oito átomos físicos.
Os pesquisadores usaram o sistema para conduzir uma operação lógica simples chamada porta NOT controlada, na qual os estados 1 e 0 de um qubit são invertidos ou deixados inalterados dependendo do estado de um segundo qubit de “controle”.
Para conduzir os cálculos, os pesquisadores moveram os átomos entre três regiões distintas na câmara de captura: um conjunto de átomos, uma região de interação (ou “zona de portão”) onde átomos específicos foram arrastados e emaranhados usando o bloqueio de Rydberg, e uma zona de leitura.
Tudo isso é possível, disse Adams, porque “o sistema Rydberg oferece toda essa capacidade de embaralhar qubits e decidir quem está interagindo com quem, o que lhe dá uma flexibilidade que os qubits supercondutores não têm”.
A equipe de Harvard demonstrou técnicas de correção de erros para alguns algoritmos simples de qubits lógicos, embora para os maiores, com 48 qubits lógicos, eles apenas tenham alcançado a detecção de erros.
De acordo com Thompson, estas últimas experiências mostraram que “podem rejeitar preferencialmente resultados de medição com erros e, portanto, identificar um subconjunto de resultados com erros mais baixos”.
Essa abordagem é chamada de pós-seleção e, embora possa desempenhar um papel na correção quântica de erros, não resolve o problema por si só.
Os átomos de Rydberg podem se prestar a novos códigos de correção de erros.
O usado no trabalho de Harvard, chamado código de superfície, “é muito popular, mas também muito ineficiente”, disse Saffman; tende a exigir muitos qubits físicos para formar um qubit lógico.
Outros códigos de correção de erros propostos, mais eficientes, exigem interações de longo alcance entre qubits, não apenas pares de vizinhos mais próximos.
Os praticantes da computação quântica de átomos neutros acham que as interações Rydberg de longo alcance deveriam estar à altura da tarefa.
“Estou extremamente otimista de que os experimentos nos próximos dois a três anos nos mostrarão que as despesas gerais não precisam ser tão ruins quanto as pessoas pensavam”, disse Lukin.
Embora ainda haja mais sendo feito, Steane considera o trabalho de Harvard “uma mudança radical no grau em que os protocolos de correção de erros foram implementados em laboratório”.
Spinning Off
Avanços como esses fazem com que os qubits do átomo de Rydberg se igualem aos seus concorrentes.
“A combinação de portas de alta fidelidade, o grande número de qubits, medições de alta precisão e conectividade flexível nos permitem considerar o arranjo de átomos de Rydberg como um verdadeiro concorrente dos qubits supercondutores e de íons aprisionados”, disse Steane.
Em comparação com qubits supercondutores, a tecnologia custa uma fração do custo de investimento.
O grupo de Harvard tem uma empresa spinoff chamada QuEra, que já fabricou um processador quântico Rydberg de 256 qubits chamado Aquila – um “simulador quântico? analógico que pode executar simulações de sistemas de muitas partículas quânticas – disponível na nuvem em parceria com a Amazon.
Plataforma de computação quântica Braket.
QuEra também está trabalhando para avançar na correção de erros quânticos.
Saffman ingressou em uma empresa chamada Infleqtion, que está desenvolvendo a plataforma óptica de átomo neutro para sensores e comunicações quânticas, bem como para computação quântica.
“Eu não ficaria surpreso se uma das grandes empresas de TI firmasse algum tipo de parceria com uma dessas spinoffs em breve”, disse Adams.
“Fazer correção de erros escalonável com qubits de átomos neutros é definitivamente possível”, disse Thompson.
“Acho que 10.000 qubits de átomos neutros são claramente possíveis dentro de alguns anos.” Além disso, ele acredita que as limitações práticas na potência e resolução do laser exigirão projetos modulares nos quais vários arranjos de átomos distintos sejam interligados.
Se isso acontecer, quem sabe o que resultará disso? “Ainda nem sabemos o que podemos fazer com a computação quântica”, disse Lukin.
“Eu realmente espero que esses novos avanços nos ajudem a responder a essas perguntas.”
Publicado em 31/03/2024 14h37
Artigo original: