Processador quântico de luz é o mais simples já projetado

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/12/2021

Esquema geral do processador quântico fotônico, que pode ser construído com componentes já disponíveis.
[Imagem: Ben Bartlett et al. - 10.1364/OPTICA.424258]

Processador quântico fotônico

Os computadores quânticos podem não apenas ser muito mais simples, como também podem funcionar a temperatura ambiente.

Esta é a proposta de Ben Bartlett, Avik Dutt e Shanhui Fan, da Universidade de Stanford.

O trio idealizou uma nova arquitetura de processador quântico fotônico - que funciona com luz - que dispensa totalmente os aparatos criogênicos necessários para evitar que os qubits percam seus dados.

Já foram feitas várias demonstrações de portas lógicas quânticas para fótons, mas ninguém ainda conseguiu construir e conectar um grande número delas para realizar cálculos complexos.

A proposta dos três pesquisadores consiste em usar um laser para manipular um único qubit - um átomo - que, por sua vez, pode modificar o estado dos fótons por meio de um fenômeno chamado "teletransporte quântico".

Peças já estão prontas

O uso do teletransporte permite trilhar um caminho diferente da corrida pelo aumento do número de qubits que tem marcado o desenvolvimento dos computadores quânticos usando outras plataformas, como os qubits supercondutores.

O átomo central do processador fotônico pode ser reiniciado e reutilizado por várias portas quânticas, eliminando a necessidade de construir uma série de portas quânticas físicas distintas para aumentar a capacidade do processador, o que deverá reduzir enormemente a complexidade do computador quântico.

"Normalmente, se você quisesse construir este tipo de computador quântico, teria que pegar potencialmente milhares de emissores quânticos, torná-los todos perfeitamente indistinguíveis e, em seguida, integrá-los em um circuito fotônico gigantesco," explicou Bartlett. "Enquanto que, com este projeto, precisamos apenas de um punhado de componentes relativamente simples, e o tamanho da máquina não aumenta com o tamanho do programa quântico que você deseja executar."

De fato, o projeto do processador quântico fotônico idealizado pela equipe exige apenas alguns poucos componentes: Um cabo de fibra óptica, um divisor de feixe de luz, um par de chaves ópticas e uma cavidade óptica. Todos esses componentes já existem e estão comercialmente disponíveis, o que facilitará o teste prático da nova arquitetura.

"O que estamos propondo aqui é aproveitar o esforço e o investimento que as pessoas fizeram para melhorar esses componentes," disse Shanhui Fan. "Eles não são componentes novos feitos especificamente para computação quântica."

[Imagem: Ben Bartlett et al. - 10.1364/OPTICA.424258]

Processador quântico de um único qubit

A nova arquitetura do processador quântico de luz consiste em duas seções principais: Um anel de armazenamento e uma unidade de espalhamento. O anel de armazenamento, que funciona de maneira semelhante à memória de um computador comum, é um loop de fibra óptica contendo vários fótons viajando ao redor do anel.

De modo análogo ao modo como os bits armazenam informações em um computador eletrônico clássico, aqui cada fóton representa um qubit, cujo valor (0 ou 1) é determinado pela direção de deslocamento do fóton ao redor do anel de armazenamento.

Além disso, como os fótons podem existir em dois estados ao mesmo tempo, um fóton individual pode fluir em ambas as direções simultaneamente, o que representa um valor que é uma combinação de 0 e 1 ao mesmo tempo - este fenômeno é chamado superposição quântica.

É possível ler e escrever os dados no fóton direcionando-o do anel de armazenamento para a unidade de espalhamento, onde ele viaja para uma cavidade contendo um único átomo. O fóton então interage com o átomo, fazendo com que os dois fiquem entrelaçados - ou emaranhados -, um fenômeno quântico pelo qual duas partículas podem se influenciar instantaneamente mesmo a grandes distâncias.

Em seguida, o fóton retorna ao anel de armazenamento e um laser altera o estado do átomo. Como o átomo e o fóton estão entrelaçados, a manipulação do átomo também altera o estado do fóton entrelaçado, mesmo que agora os dois já tenham se distanciado.

"Medindo o estado do átomo, você pode teletransportar operações para os fótons," descreveu Bartlett. "Portanto, precisamos somente de um qubit atômico controlável e podemos usá-lo como um proxy para manipular indiretamente todos os outros qubits fotônicos."

O processador fotônico é totalmente reconfigurável, podendo rodar qualquer tipo de programa.
[Imagem: Ben Bartlett et al. - 10.1364/OPTICA.424258]

Processador quântico universal

Como qualquer porta lógica quântica pode ser compilada em uma sequência de operações realizadas no átomo, em princípio torna-se possível executar qualquer programa quântico, de qualquer tamanho, usando apenas um qubit atômico controlável.

Para executar um programa, o código é traduzido em uma sequência de operações que direcionam os fótons para a unidade de espalhamento e manipulam o qubit atômico. Como o modo como o átomo e os fótons interagem pode ser controlado, o mesmo dispositivo pode executar virtualmente qualquer tipo de programa quântico, tornando este um processador quântico universal.

"Para muitos computadores quânticos fotônicos, as portas são estruturas físicas pelas quais os fótons passam, então se você quiser mudar o programa que está sendo executado, muitas vezes precisa reconfigurar fisicamente o hardware," comparou Bartlett. "Enquanto, neste caso, você não precisa alterar o hardware - você precisa apenas dar à máquina um conjunto diferente de instruções."

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