Computação quântica: Qubits codificados no tempo

Com informações da APS - 22/10/2013

O fóton sai do interferômetro em um estado de superposição de uma "caixa de tempo adiantada" e de uma "caixa de tempo atrasada", devido à diferença de comprimento das duas rotas.
[Imagem: APS/Alan Stonebraker]

Tipos de qubits

Os qubits dos computadores quânticos podem vir em vários "sabores": eles podem ser de estado sólido, nuvens de átomos superfrios, defeitos no interior de diamantes ou fótons.

Mas as possibilidades não estão esgotadas.

A mais recente adição ao arsenal à disposição dos intrépidos projetistas de computadores quânticos é o qubit codificado no tempo.

Apesar das estranhezas da mecânica quântica, é fácil ver que o qubit está sendo implementado em um sistema físico real - um cristal, uma nuvem de átomos de rubídio, uma vacância de nitrogênio no diamante etc.

Nos fótons, por exemplo, a informação pode ser codificada na polarização, no momento angular ou em outro grau de liberdade da luz.

Qubit codificado no tempo

O qubit codificado no tempo é diferente: o que define o dado a bordo do qubit é o momento no qual o fóton "desembarca" no circuito.

A ideia foi originalmente proposta por Jurgen Brendel e seus colegas da Universidade de Genebra, na Suíça, que a chamaram de "caixa de tempo" (time-bin qubits).

O princípio de funcionamento do qubit temporizado não é tão complicado.

O fóton no qual a informação está codificada é recebido no circuito através de um interferômetro que possui duas rotas de comprimentos diferentes. Assim, o fóton sai do interferômetro em um estado de superposição de uma "caixa de tempo adiantada" e de uma "caixa de tempo atrasada" - devido à diferença de comprimento das duas rotas.

Ajustando-se com precisão os parâmetros do interferômetro, é possível controlar a fase e a amplitude do fóton, gerando qubits sequenciais em caixas de tempo arbitrárias - daí o nome da técnica, formalmente chamada de computação quântica óptica linear.

Há várias vantagens no sistema de qubits codificados no tempo, entre as quais a possibilidade de armazenar os dados em fótons individuais e a persistência desse dado, que resiste bem à decoerência, um fenômeno quântico que resulta na perda da superposição e, portanto, do dado do qubit.

O sistema apresentou uma elevada taxa de transmissão de dados e uma taxa de erros muito pequena em comparação com outros sistemas quânticos fotônicos.
[Imagem: Humphreys et al.]

Computação óptica linear na prática

Agora, duas equipes, trabalhando independentemente, anunciaram o desenvolvimento de técnicas práticas que permitem o aproveitamento do conceito dos qubits time-bin em sistemas de comunicação e computação quânticas.

Peter Humphreys e seus colegas da Universidade de Oxford, no Reino Unido, desenvolveram uma técnica que permite usufruir dos qubits temporizados no tempo usando um único cabo de fibra óptica, reduzindo drasticamente a complexidade do sistema.

John Donohue e sua equipe da Universidade de Waterloo, no Canadá, por sua vez, demonstraram uma técnica de medição ultrarrápida para detectar o que está escrito nos qubits caixa de tempo. O sistema apresentou uma elevada taxa de transmissão de dados e uma taxa de erros muito pequena em comparação com outros sistemas quânticos fotônicos.

Juntos, os dois desenvolvimentos representam um grande passo rumo à realização prática de processadores quânticos que usem fótons individuais como qubits - teoricamente, a abordagem que promete a maior velocidade e o menor gasto de energia para a computação quântica.

A técnica envolve usar uma única fibra óptica por onde os fótons se propagam, com a polarização de cada um deles sendo usada para definir um "modo registro" para o armazenamento e a propagação, e um "modo processamento" para as manipulações do qubit.

Segundo os pesquisadores, a realização prática dos processadores quânticos fotônicos com base nos qubits temporais agora passa a ser uma questão mais de engenharia do que de física, o que nos autoriza a pensar que os primeiros protótipos não tardarão a aparecer.

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