Processador quântico fermiônico pode ser melhor que versão com qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/08/2023

Os pesquisadores propõem capturar átomos fermiônicos em uma série de pinças ópticas. O conjunto necessário de portas quânticas fermiônicas pode ser implementado nativamente nesta plataforma, sem aparatos complicados.
[Imagem: University of Innsbruck]

Processador quântico fermiônico

Pesquisadores da Áustria e dos EUA projetaram um novo tipo de computador quântico que, em vez dos tradicionais qubits, usa átomos fermiônicos para simular sistemas físicos complexos.

O processador usa matrizes de átomos neutros programáveis e é capaz de simular o comportamento de materiais de maneira eficiente em termos de hardware - a equipe demonstrou essa eficiência usando modelos da física de partículas e da química quântica.

Férmions são as partículas de matéria, como os elétrons, prótons, quarks e neutrinos, contrastando com os bósons, a família dos fótons, glúons, mésons etc. Já átomos fermiônicos são átomos compostos por um número ímpar de partículas (elétrons + prótons + nêutrons).

Enquanto os átomos bosônicos são sociáveis, podendo se juntar em um condensado de Bose-Einstein, por exemplo, para formar uma espécie de átomo artificial, em que todos se comportam como se fossem um só, os átomos fermiônicos são muito menos sociáveis por que o Princípio de Exclusão de Pauli impede que eles ocupem o mesmo estado quântico simultaneamente (mas, sim, existem "condensados fermiônicos").

Acontece que os átomos fermiônicos estão envolvidos em coisas muito interessantes, como na supercondutividade, no plasma de quarks e glúons (a sopa primordial do Universo) e, mais fundamentalmente, na formação das moléculas. Assim, um processador fermiônico - você também pode chamá-lo de simulador quântico fermiônico - é ideal para simular todos esses sistemas de largo interesse prático.

"Nos computadores quânticos baseados em qubits, recursos extras precisam ser dedicados para simular essas propriedades, geralmente na forma de qubits adicionais ou circuitos quânticos mais longos," justifica Daniel Cuadra, da Universidade de Innsbruck, na Áustria.

Processador quântico fermiônico. (A) Registrador baseado em átomos fermiônicos presos por pinças ópticas, onde a informação quântica é codificada na ocupação atômica e processada usando portas fermiônicas, o que inclui processos de tunelamento, deslocalização de átomos entre diferentes pinças (esferas mais leves), bem como portas de interação, baseadas no mecanismo de bloqueio de Rydberg. (B) Essas portas são usadas para construir circuitos onde certas sub-rotinas são primeiro pré-compiladas para minimizar a profundidade do circuito. (C) Os circuitos fermiônicos são particularmente adequados para simulação quântica de modelos fermiônicos.
[Imagem: González-Cuadra et al. - 10.1073/pnas.2304294120]

Informação quântica em partículas fermiônicas

Um processador quântico fermiônico é composto por um registrador e um conjunto de portas lógicas.

"O registrador consiste em um conjunto de modos fermiônicos, que podem estar vazios ou ocupados por um único férmion, e esses dois estados formam a unidade local de informação quântica," detalha Cuadra. "O estado do sistema que queremos simular, como uma molécula composta por muitos elétrons, será em geral uma superposição de muitos padrões de ocupação, que podem ser codificados diretamente nesse registrador."

Esta informação é então processada usando um circuito projetado para simular, por exemplo, a evolução temporal de uma molécula. Qualquer circuito desse tipo pode ser decomposto em uma sequência de apenas dois tipos de portas fermiônicas, uma porta de tunelamento e uma porta de interação.

Os pesquisadores propõem capturar átomos fermiônicos usando uma série de pinças ópticas, que são feixes de laser altamente focados que conseguem segurar e mover átomos com alta precisão.

"O conjunto necessário de portas quânticas fermiônicas pode ser implementado nativamente nesta plataforma: Portas de tunelamento podem ser obtidas controlando o tunelamento de um átomo entre duas pinças ópticas, enquanto as portas de interação são implementadas excitando primeiro os átomos para os estados de Rydberg, carregando um forte momento dipolar," explicou Cuadra.

Os simuladores quânticos podem simular as ligações químicas diretamente, como elas acontecem na natureza, sem a intermediação de modelos teóricos.
[Imagem: Harald Ritsch/IQOQI Innsbruck]

Usos de um processador fermiônico

O processamento quântico fermiônico é particularmente útil para simular as propriedades de sistemas compostos por muitos férmions em interação, como elétrons em uma molécula ou em um material, ou quarks dentro de um próton.

Isso lhe dá aplicações em muitos campos, desde a química quântica até a física de partículas. Os pesquisadores demonstram como seu processador quântico fermiônico pode simular com eficiência modelos fermiônicos da química quântica e da teoria de calibre de rede, que são dois campos importantes da física difíceis de resolver com computadores clássicos.

"Ao usar férmions para codificar e processar informações quânticas, algumas propriedades do sistema simulado são intrinsecamente garantidas no nível do hardware, o que exigiria recursos adicionais em um computador quântico padrão baseado em qubit," concluiu Cuadra.

Com o roteiro pronto, o próximo passo será construir um processador quântico fermiônico e verificar se ele realmente cumpre todas as suas promessas

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