Nova 'técnica' corrige falha significativa em computadores quânticos de átomos neutros — Aproximando-nos de um sistema superpoderoso

Inovações no Campo da Computação Quântica

Pesquisadores criaram um novo tipo de "operação quântica" que é dramaticamente mais estável do que métodos anteriores. Essa conquista traz um design de hardware, em particular — os qubits de átomos neutros — um passo mais perto de alimentar computadores quânticos úteis.

Computadores quânticos utilizam qubits que podem existir em um estado de 0, 1 ou uma superposição de ambos. A chave para seu poder de processamento são as "portas" capazes de embaralhar os qubits entre esses estados, permitindo que eles realizem cálculos em paralelo. Um tipo crítico de porta é chamado de porta de troca, que permite que a informação seja roteada através de uma máquina, trocando os estados de dois qubits.

Os qubits são feitos de átomos frios aprisionados dentro de um cristal artificial criado pela luz laser. Muitos sistemas quânticos dependem de estados eletrônicos altamente excitados ou colisões entre átomos, bem como do efeito túnel, no qual partículas escorregam por obstáculos que seriam intransponíveis segundo a física clássica. No entanto, portas de troca que utilizam essas técnicas (particularmente o efeito túnel) são suscetíveis à velocidade de ativação e à potência dos lasers responsáveis por suspender átomos neutro-carregados no lugar para formar os qubits.

Isso significa que pequenas flutuações no tempo ou na intensidade de um laser podem introduzir erros e uma falta de fidelidade no sistema, tornando a porta pouco confiável. Esse fator contribui para o grande gargalo que impede os cientistas de escalar a computação quântica, tornando-a mais poderosa do que os supercomputadores mais rápidos do mundo. Taxas de erro de qubits são cerca de 1 em 1.000, comparadas a 1 em 1 trilhão para bits convencionais.

Avanços no Design de Qubits

Para resolver esse problema, cientistas do ETH Zurich desenvolveram uma maneira de tornar os qubits em computadores quânticos de átomos neutros muito mais estáveis do que nunca. Eles descreveram suas descobertas em um estudo publicado em Nature em 8 de abril.

Em vez de depender de portas convencionais, a equipe utilizou um efeito físico mais sutil chamado de fase geométrica. Ao contrário de outros métodos para implementar portas quânticas para átomos neutros ou partículas aprisionadas, que dependem da velocidade e da intensidade com que os átomos são empurrados, sua porta de troca explora o caminho que os átomos percorrem através de um "cristal de luz" artificial construído pela interseção de feixes a laser (chamado de rede óptica).

As plataformas de átomos neutros prometem milhares de qubits em um único dispositivo. Este arranjo utiliza dezenas de milhares de átomos de potássio resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto e mantidos no lugar por luz laser. Yann Hendrick Kiefer, um pesquisador pós-doutoral do ETH Zurich Institute for Quantum Electronics e autor principal do estudo, explicou como isso funciona.

"A luz laser nada mais é do que radiação eletromagnética monocromática," disse Kiefer em um e-mail. "Se um átomo neutro é colocado dentro deste campo elétrico, um momento dipolar é induzido, o que leva a uma força que nos permite manter átomos no lugar."

Quando dois desses átomos de potássio são aproximados o suficiente para que suas ondas quânticas se sobreponham, seu estado combinado muda de uma maneira que depende apenas da geometria de seu movimento, e não de quão rápido eles se movem ou da intensidade do laser. Isso torna a operação de troca muito menos sensível ao ruído experimental.

Perspectivas Futuras para a Computação Quântica

Usando esse método, a equipe de pesquisa alcançou uma porta de troca muito robusta com precisão superior a 99,91%, operando em menos de um milissegundo (um milésimo de segundo) em um sistema com um notável 17.000 pares de qubit. Enquanto algumas portas superconductoras ou de íons aprisionados podem ser sub-milissegundo, esses sistemas normalmente executam tais portas em apenas alguns pares de qubit de cada vez.

A equipe também provou que era capaz de criar portas de "semi-troca", que são críticas para executar algoritmos quânticos reais. As portas semi-troca — uma operação quântica que apenas troca dois qubits parcialmente em vez de completamente — são vitais, pois o entrelaçamento é o ingrediente especial na computação quântica. Uma troca completa apenas move a informação, mas uma semi-troca pode tanto trocar informações parcialmente, quanto criar correlações entre qubits que bits clássicos não podem ter.

Apesar dessas inovações, Kiefer admite que um computador quântico prático ainda está longe de ser alcançado. "A computação quântica em uma escala prática ainda requer avanços significativos," disse ele. "Os fatores limitantes são, em dois pontos: escala e fidelidade." Contudo, Kiefer se mantém otimista, citando um estudo recente que explorou como um dia poderíamos expandir ainda mais as capacidades da computação quântica.