Estudo inovador demonstra controle sobre flutuações quânticas, revelando potencial para computação probabilística e detecção de campo ultraprecisa.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) alcançou um marco nas tecnologias quânticas, demonstrando pela primeira vez o controle da aleatoriedade quântica.
A equipe de pesquisadores se concentrou em uma característica única da física quântica conhecida como “flutuações de vácuo”. Você pode pensar no vácuo como um espaço completamente vazio, sem matéria ou luz. No entanto, no mundo quântico, mesmo este espaço “vazio” sofre flutuações ou mudanças. Imagine um mar calmo que de repente recebe ondas – isso é semelhante ao que acontece no vácuo no nível quântico. Anteriormente, estas flutuações permitiam aos cientistas gerar números aleatórios. Eles também são responsáveis por muitos fenômenos fascinantes que os cientistas quânticos descobriram nos últimos cem anos.
As descobertas foram descritas recentemente na revista Science, em um artigo liderado pelos associados de pós-doutorado do MIT, Charles Roques-Carmes e Yannick Salamin; os professores do MIT, Marin Soljačić e John Joannopoulos; e colegas.
Computação sob uma nova luz
Convencionalmente, os computadores funcionam de maneira determinística, executando instruções passo a passo que seguem um conjunto de regras e algoritmos predefinidos. Neste paradigma, se você executar a mesma operação várias vezes, sempre obterá exatamente o mesmo resultado. Esta abordagem determinista impulsionou a nossa era digital, mas tem as suas limitações, especialmente quando se trata de simular o mundo físico ou de otimizar sistemas complexos, tarefas que muitas vezes envolvem grandes quantidades de incerteza e aleatoriedade.
É aqui que entra em jogo o conceito de computação probabilística. Os sistemas de computação probabilística aproveitam a aleatoriedade intrínseca de certos processos para realizar cálculos. Eles não fornecem apenas uma única resposta “certa”, mas sim uma série de resultados possíveis, cada um com sua probabilidade associada. Isto os torna inerentemente adequados para simular fenômenos físicos e resolver problemas de otimização onde múltiplas soluções podem existir e onde a exploração de várias possibilidades pode levar a uma solução melhor.
Superando Desafios Quânticos
No entanto, a implementação prática da computação probabilística tem sido historicamente dificultada por um obstáculo significativo: a falta de controle sobre as distribuições de probabilidade associadas à aleatoriedade quântica. No entanto, a investigação conduzida pela equipe do MIT lançou luz sobre uma possível solução.
Especificamente, os pesquisadores mostraram que a injeção de um “viés” de laser fraco em um oscilador paramétrico óptico, um sistema óptico que gera números aleatórios naturalmente, pode servir como uma fonte controlável de aleatoriedade quântica “tendenciosa”.
“Apesar do extenso estudo desses sistemas quânticos, a influência de um campo de polarização muito fraco era inexplorada”, comenta Charles Roques-Carmes, pesquisador do estudo. “Nossa descoberta da aleatoriedade quântica controlável não apenas nos permite revisitar conceitos de décadas de existência em óptica quântica, mas também abre potencial em computação probabilística e detecção de campo ultraprecisa.”
A equipe exibiu com sucesso a capacidade de manipular as probabilidades associadas aos estados de saída de um oscilador paramétrico óptico, criando assim o primeiro bit probabilístico fotônico controlável (bit p). Além disso, o sistema mostrou sensibilidade às oscilações temporais dos pulsos de campo de polarização, mesmo muito abaixo do nível de fóton único.
Implicações e perspectivas futuras
Yannick Salamin, outro membro da equipe, comenta: “Nosso sistema fotônico de geração de p-bits permite atualmente a produção de 10.000 bits por segundo, cada um dos quais pode seguir uma distribuição binomial arbitrária. Esperamos que esta tecnologia evolua nos próximos anos, levando a p-bits fotônicos de maior taxa e a uma gama mais ampla de aplicações.”
O professor Marin Soljačić, do MIT, enfatiza as implicações mais amplas do trabalho: “Ao tornar as flutuações do vácuo um elemento controlável, estamos ultrapassando os limites do que é possível na computação probabilística quântica aprimorada. A perspectiva de simular dinâmicas complexas em áreas como otimização combinatória e simulações de cromodinâmica quântica em rede é muito emocionante.”
Publicado em 12/09/2023 09h27
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