Uma pesquisa da McKelvey School of Engineering da Washington University em St. Louis encontrou uma peça que faltava no quebra-cabeça da computação quântica óptica.
Jung-Tsung Shen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, desenvolveu uma porta lógica quântica de dois bits determinística e de alta fidelidade que tira proveito de uma nova forma de luz. Esta nova porta lógica é muito mais eficiente do que a tecnologia atual.
“No caso ideal, a fidelidade pode chegar a 97%”, disse Shen.
Sua pesquisa foi publicada em maio de 2021 na revista Physical Review A.
O potencial dos computadores quânticos está ligado às propriedades incomuns de superposição – a capacidade de um sistema quântico de conter muitas propriedades distintas, ou estados, ao mesmo tempo – e emaranhamento – duas partículas agindo como se estivessem correlacionadas de uma forma não clássica maneira, apesar de estarem fisicamente distantes um do outro.
Onde a voltagem determina o valor de um bit (1 ou 0) em um computador clássico, os pesquisadores costumam usar elétrons individuais como “qubits”, o equivalente quântico. Os elétrons têm várias características que se adaptam bem à tarefa: são facilmente manipulados por um campo elétrico ou magnético e interagem entre si. A interação é um benefício quando você precisa que duas partes estejam emaranhadas – deixando a selva da mecânica quântica se manifestar.
Mas sua propensão para interagir também é um problema. Tudo, desde campos magnéticos dispersos a linhas de energia, pode influenciar os elétrons, tornando-os difíceis de controlar de verdade.
Nas últimas duas décadas, no entanto, alguns cientistas têm tentado usar fótons como qubits em vez de elétrons. “Se os computadores vão ter um impacto real, precisamos pensar em criar a plataforma usando luz”, disse Shen.
Os fótons não têm carga, o que pode levar aos problemas opostos: eles não interagem com o ambiente como os elétrons, mas também não interagem entre si. Também tem sido um desafio projetar e criar interações inter-fótons ad hoc (eficazes). Ou assim foi o pensamento tradicional.
Há menos de uma década, os cientistas que trabalhavam nesse problema descobriram que, mesmo que não estivessem emaranhados ao entrarem em uma porta lógica, o ato de medir os dois fótons ao saírem os levou a se comportar como se tivessem estado. As características únicas de medição são outra manifestação selvagem da mecânica quântica.
“A mecânica quântica não é difícil, mas é cheia de surpresas”, disse Shen.
A descoberta da medição foi inovadora, mas não mudou totalmente o jogo. Isso porque para cada 1.000.000 de fótons, apenas um par ficou emaranhado. Desde então, os pesquisadores tiveram mais sucesso, mas, disse Shen, “ainda não é bom o suficiente para um computador”, que precisa realizar de milhões a bilhões de operações por segundo.
Shen foi capaz de construir uma porta lógica quântica de dois bits com tanta eficiência por causa da descoberta de uma nova classe de estados fotônicos quânticos – dímeros fotônicos, fótons emaranhados no espaço e na frequência. Sua previsão da existência deles foi validada experimentalmente em 2013 e, desde então, ele tem encontrado aplicações para essa nova forma de luz.
Quando um único fóton entra em uma porta lógica, nada notável acontece – ele entra e sai. Mas quando há dois fótons, “foi quando previmos que os dois poderiam criar um novo estado, dímeros fotônicos. Acontece que esse novo estado é crucial.”
Matematicamente, há muitas maneiras de projetar uma porta lógica para operações de dois bits. Esses designs diferentes são chamados de equivalentes. A porta lógica específica que Shen e seu grupo de pesquisa projetaram é a porta de fase controlada (ou porta Z controlada). A principal função da porta de fase controlada é que os dois fótons que saem estão no estado negativo dos dois fótons que entraram.
“Em circuitos clássicos, não há sinal de menos”, disse Shen. “Mas na computação quântica, verifica-se que o sinal de menos existe e é crucial.”
Quando dois fótons independentes (representando dois qubits ópticos) entram na porta lógica, “O design da porta lógica é tal que os dois fótons podem formar um dímero fotônico”, disse Shen. “Acontece que o novo estado fotônico quântico é crucial, pois permite que o estado de saída tenha o sinal correto que é essencial para as operações lógicas ópticas.”
Shen tem trabalhado com a Universidade de Michigan para testar seu projeto, que é uma porta lógica de estado sólido – que pode operar em condições moderadas. Até agora, diz ele, os resultados parecem positivos.
Shen diz que este resultado, embora desconcertante para a maioria, é claro como o dia para aqueles que a conhecem.
“É como um quebra-cabeça”, disse ele. “Pode ser complicado de fazer, mas uma vez feito, apenas olhando para ele, você saberá que está correto.”
Publicado em 30/06/2021 13h02
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