A computação quântica tem o potencial de revolucionar a tecnologia, a medicina e a ciência, fornecendo processadores, sensores e dispositivos de comunicação mais rápidos e eficientes.
Porém, transferir informações e corrigir erros dentro de um sistema quântico continua sendo um desafio para tornar computadores quânticos eficazes.
Em um artigo da revista Nature, pesquisadores da Purdue University e da University of Rochester, incluindo John Nichol, professor assistente de física, e Rochester Ph.D. os alunos Yadav P. Kandel e Haifeng Qiao demonstram seu método de retransmitir informações transferindo o estado dos elétrons. A pesquisa aproxima os cientistas da criação de computadores quânticos totalmente funcionais e é o exemplo mais recente da iniciativa de Rochester para entender melhor o comportamento quântico e desenvolver novos sistemas quânticos. A Universidade recebeu recentemente uma doação de US $ 4 milhões do Departamento de Energia para explorar materiais quânticos.
Computadores quânticos
Um computador quântico opera com base nos princípios da mecânica quântica, um conjunto único de regras que governam em uma escala extremamente pequena de átomos e partículas subatômicas. Ao lidar com partículas nessas escalas, muitas das regras que governam a física clássica não se aplicam mais e surgem efeitos quânticos; um computador quântico é capaz de realizar cálculos complexos, fatorar números extremamente grandes e simular o comportamento de átomos e partículas em níveis que os computadores clássicos não conseguem.
Os computadores quânticos têm o potencial de fornecer mais informações sobre os princípios da física e da química, simulando o comportamento da matéria em condições incomuns no nível molecular. Essas simulações podem ser úteis no desenvolvimento de novas fontes de energia e no estudo das condições de planetas e galáxias ou na comparação de compostos que podem levar a novas terapias medicamentosas.
“Você e eu somos sistemas quânticos. As partículas de nosso corpo obedecem à física quântica. Mas, se você tentar calcular o que acontece com todos os átomos de nosso corpo, não poderá fazê-lo em um computador comum”, diz Nichol. “Um computador quântico poderia facilmente fazer isso.”
Os computadores quânticos também podem abrir portas para pesquisas e criptografia de banco de dados mais rápidas.
“Acontece que quase toda a criptografia moderna se baseia na extrema dificuldade dos computadores comuns de fatorar grandes números”, diz Nichol. “Os computadores quânticos podem facilmente fatorar grandes números e interromper esquemas de criptografia, para que você possa imaginar por que muitos governos estão interessados ??nisso”.
Bits x qubits
Um computador comum consiste em bilhões de transistores, chamados bits. Os computadores quânticos, por outro lado, são baseados em bits quânticos, também conhecidos como qubits, que podem ser feitos a partir de um único elétron. Diferente dos transistores comuns, que podem ser “0” ou “1”, os qubits podem ser “0” e “1” ao mesmo tempo. A capacidade dos qubits individuais de ocupar esses “estados de superposição”, onde eles estão simultaneamente em múltiplos estados, está subjacente ao grande potencial dos computadores quânticos. Assim como os computadores comuns, no entanto, os computadores quânticos precisam de uma maneira de transferir informações entre qubits, e isso representa um grande desafio experimental.
“Um computador quântico precisa ter muitos qubits e são realmente difíceis de criar e operar”, diz Nichol. “O estado da arte no momento está fazendo algo com apenas alguns qubits, por isso ainda estamos muito longe de realizar todo o potencial dos computadores quânticos”.
Todos os computadores, incluindo computadores regulares e quânticos e dispositivos como telefones inteligentes, também precisam executar a correção de erros. Um computador comum contém cópias de bits; portanto, se um deles falhar, “o resto será votado por maioria” e corrigirá o erro. No entanto, os bits quânticos não podem ser copiados, diz Nichol, “então você deve ser muito esperto sobre como corrigir os erros. O que estamos fazendo aqui é um passo nessa direção”.
Manipulando elétrons
A correção de erro quântico requer que qubits individuais interajam com muitos outros qubits. Isso pode ser difícil porque um elétron individual é como um ímã de barra com um polo norte e um polo sul que podem apontar para cima ou para baixo. A direção do polo – se o polo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo – é conhecida como momento magnético ou estado quântico do elétron.
Se certos tipos de partículas têm o mesmo momento magnético, eles não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo. Ou seja, dois elétrons no mesmo estado quântico não podem ficar em cima um do outro.
“Essa é uma das principais razões pelas quais algo como um centavo, feito de metal, não desmorona”, diz Nichol. “Os elétrons estão se separando porque não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo”.
Se dois elétrons estão em estados opostos, eles podem se posicionar uns sobre os outros. Uma conseqüência surpreendente disso é que, se os elétrons estiverem próximos o suficiente, seus estados se trocarão no tempo.
“Se você tem um elétron em alta e outro em queda e você os junta pela quantidade certa de tempo, eles se trocam”, diz Nichol. “Eles não trocaram de lugar, mas seus estados mudaram.”
Para forçar esse fenômeno, Nichol e seus colegas resfriaram um chip semicondutor a temperaturas extremamente baixas. Usando pontos quânticos – semicondutores em nanoescala – eles prenderam quatro elétrons seguidos e depois os moveram para que entrassem em contato e seus estados mudassem.
“Existe uma maneira fácil de alternar o estado entre dois elétrons vizinhos, mas fazê-lo a longas distâncias – no nosso caso, são quatro elétrons – requer muito controle e habilidade técnica”, diz Nichol. “Nossa pesquisa mostra que agora é uma abordagem viável para enviar informações a longas distâncias”.
Um primeiro passo
A transmissão do estado de um elétron para frente e para trás através de uma matriz de qubits, sem mover a posição dos elétrons, fornece um exemplo impressionante das possibilidades permitidas pela física quântica para a ciência da informação.
“Este experimento demonstra que informações em estados quânticos podem ser transferidas sem realmente transferir os elétrons individuais para a cadeia”, diz Michael Manfra, professor de física e astronomia da Universidade Purdue. “É um passo importante para mostrar como as informações quânticas podem ser transmitidas mecanicamente – de maneiras bem diferentes do que nossa intuição clássica nos levaria a acreditar”.
Nichol compara isso às etapas que levaram aos primeiros dispositivos de computação aos computadores de hoje. Dito isto, todos nós um dia teremos computadores quânticos para substituir nossos computadores de mesa? “Se você tivesse feito essa pergunta à IBM na década de 1960, eles provavelmente teriam dito não, não há como isso acontecer”, diz Nichol. “Essa é a minha reação agora. Mas, quem sabe?”
Publicado em 28/09/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-09-scientists-closer-fully-functioning-quantum.html
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