Qubits naturais do diamante simplificam hardware dos computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/08/2023

Qubits de diamante podem ser depositados um a um por impressão.
[Imagem: Zhaoyi Xu et al. - 10.1002/advs.202103598]

Qubits de diamante

Físicos idealizaram uma nova arquitetura de computação quântica que evita grande parte da problemática complexidade com que os engenheiros estão se deparando para construir os computadores quânticos atuais.

A estratégia implementa um algoritmo em interações quânticas naturais para processar uma variedade de problemas do mundo real mais rapidamente do que os computadores clássicos ou os computadores quânticos convencionais, baseados em portas lógicas.

"Nossa descoberta elimina muitos requisitos desafiadores para o hardware quântico," disse Nikolai Sinitsyn, do Laboratório Nacional Los Alamos, nos EUA, que idealizou a nova arquitetura com seu colega Bin Yan. "Sistemas naturais, como os spins eletrônicos de defeitos nos diamantes, têm precisamente o tipo de interações necessárias para nosso processo de computação".

A ideia de usar os defeitos naturais do diamante como qubits não é nova, mas até agora ninguém havia conseguido tirar proveito deles de maneira otimizada. Os defeitos no diamante, conhecidos como vacâncias de nitrogênio ou centros de cor, ocorrem quando um átomo de nitrogênio intromete-se na estrutura de carbono puro do diamante.

Além de não precisar construir o qubit, no diamante tudo tem potencial para funcionar a temperatura ambiente, dispensando os complicados e caros sistemas criogênicos atuais. Apesar disso, os pesquisadores sugerem que a implementação de sua arquitetura possa ser mais prontamente realizada utilizando átomos ultrafrios.

Usar qubits de diamante é muito mais simples do que as arquiteturas atuais.
[Imagem: Christoph Hohmann/NIM]

Computação quântica mais simples

Em vez de configurar um sistema complexo de portas lógicas entre vários qubits, que se comunicam compartilhando o fenômeno do entrelaçamento quântico, a nova estratégia usa um campo magnético simples para girar os qubits, como os spins dos elétrons, localizados dentro dos nanodiamantes. A evolução precisa dos estados de spin é tudo o que é necessário para implementar o algoritmo de modo a resolver muitos problemas práticos propostos para os computadores quânticos.

Isso elimina a necessidade de conectar qubits em longas cadeias de portas lógicas e manter o entrelaçamento quântico necessário para a computação. O entrelaçamento se desfaz muito facilmente - um processo conhecido como decoerência - porque os qubits entrelaçados interagem com o mundo fora do sistema quântico do computador, gerando erros. Uma correção de erros verdadeira ainda não foi implementada nos hardwares quânticos disponíveis.

O truque então foi aproveitar o entrelaçamento quântico naturalmente presente no diamante, que é muito mais robusto porque já convive com o mundo ao seu redor sem se degradar em frações de segundo. Além disso, isso requer muito menos conexões entre os qubits.

A equipe demonstrou que esta abordagem, quando implementada em um hardware real, poderá ser usada para resolver o algoritmo de Grover mais rapidamente do que os computadores quânticos existentes. Um dos algoritmos quânticos mais conhecidos, ele permite fazer pesquisas não estruturadas em grandes conjuntos de dados, que consomem enormes recursos de computação convencionais.

Por exemplo, o algoritmo de Grover pode ser usado para dividir o tempo de execução de tarefas igualmente entre dois computadores, para que ambos terminem ao mesmo tempo, juntamente com outras tarefas práticas. O algoritmo é adequado para computadores quânticos ideais - na teoria -, sendo muito difícil implementá-lo nas máquinas propensas a erros de hoje.

Nos defeitos de nitrogênio na rede do cristal de diamante, um átomo de nitrogênio (amarelo) induz também uma ausência de um átomo de carbono (branco), criando a chamada vacância de nitrogênio. É assim que o diamante pode guardar informação quântica por horas.
[Imagem: TUWien]

Quanticamente simples

A grande sacada da equipe foi perceber que muitos problemas computacionais famosos podem ser resolvidos usando um sistema quântico com interações elementares, no qual apenas um spin atômico interage com o restante dos qubits computacionais. E esse spin pode ser controlado por um campo magnético externo.

"Nenhuma interação direta entre os qubits computacionais e nenhuma interação dependente do tempo com o spin central são necessárias no processo," explicou Sinitsyn. "Uma vez que os acoplamentos estáticos entre o spin central e os qubits são definidos, todo o cálculo consiste apenas na aplicação de simples pulsos de campo externo dependentes do tempo, que giram os spins".

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