Físicos desenvolvem computador quântico especial com 256 qubits

No que é um grande avanço na computação quântica, uma equipe de físicos do Centro de Átomos Ultrafrios de Harvard-MIT e de outras universidades criou um tipo especial de computador quântico. Este sistema é chamado de simulador quântico programável e pode operar com 256 bits quânticos, ou “qubits”. Qubits são fundamentais para o funcionamento dos computadores quânticos e são a fonte de seu poder de processamento.

O novo desenvolvimento nos aproxima de alcançar máquinas quânticas de grande escala, que podem ser usadas para obter uma visão profunda de processos quânticos complexos. Eles também podem ter grandes implicações em áreas como ciência de materiais, tecnologias de comunicação, finanças e várias outras que atualmente enfrentam barreiras na pesquisa.

A pesquisa foi publicada em 9 de julho na Natureza. 

Empurrando o campo para frente

Mikhail Lukin é o professor de física George Vasmer Leverett e co-diretor da Harvard Quantum Initiative. Ele também é um dos autores sênior do estudo.

“Isso move o campo para um novo domínio onde ninguém jamais esteve até agora”, disse Lukin. “Estamos entrando em uma parte completamente nova do mundo quântico.”

Sepehr Ebadi é um estudante de física na Graduate School of Arts and Sciences e o principal autor do estudo. 

De acordo com Ebadi, as maiores características do sistema são seu tamanho e capacidade de programação, o que o torna um dos melhores sistemas existentes. Ele pode aproveitar as propriedades da matéria em escalas extremamente pequenas, o que permite aumentar o poder de processamento. Um aumento nos qubits pode ajudar o sistema a armazenar e processar exponencialmente mais informações do que os bits clássicos, dos quais dependem os computadores padrão.

“O número de estados quânticos possíveis com apenas 256 qubits excede o número de átomos no sistema solar”, disse Ebadi.

O simulador permitiu aos pesquisadores observar estados quânticos exóticos da matéria, bem como realizar um estudo de transição de fase quântica, que foi extremamente preciso e demonstrou como o magnetismo funciona no nível quântico.

Segundo os pesquisadores, esses experimentos podem ajudar os cientistas a aprender como projetar novos materiais com propriedades exóticas.

O Novo Sistema

O projeto conta com uma plataforma desenvolvida em 2017 pelos pesquisadores, mas desta vez foi significativamente atualizada. Ele era capaz de atingir um tamanho de 51 qubits no passado e permitiu aos pesquisadores capturar átomos de rubídio ultrafrios e organizá-los em uma ordem específica por meio do uso de uma matriz unidimensional de feixes de laser com foco individual. 

Esse sistema permite que os átomos sejam montados em matrizes bidimensionais de pinças ópticas, que é o nome dos feixes de laser. Isso permite que o tamanho do sistema alcançável aumente de 51 para 256 qubits. Os pesquisadores podem então usar as pinças para organizar os átomos em padrões livres de defeitos e criar formas programáveis, o que permite diferentes interações entre os qubits.

“O cavalo de batalha desta nova plataforma é um dispositivo chamado modulador de luz espacial, que é usado para moldar uma frente de onda óptica para produzir centenas de feixes de pinças ópticos focados individualmente”, disse Ebadi. “Esses dispositivos são essencialmente os mesmos que são usados ​​dentro de um projetor de computador para exibir imagens em uma tela, mas os adaptamos para serem um componente crítico de nosso simulador quântico”.

Os átomos são primeiro carregados nas pinças ópticas aleatoriamente antes que os pesquisadores movam os átomos e os organizem em geometrias-alvo. Um segundo conjunto de pinças ópticas móveis é então usado para arrastar os átomos para os locais desejados, o que elimina a aleatoriedade inicial. Os lasers permitem que os pesquisadores assumam o controle total sobre o posicionamento dos qubits atômicos e sua manipulação quântica coerente.

Tout Wang é pesquisador associado em física em Harvard e um dos autores do artigo.

“Nosso trabalho faz parte de uma corrida global realmente intensa e de alta visibilidade para construir computadores quânticos maiores e melhores”, disse Wang. “O esforço geral [além do nosso] envolve as principais instituições de pesquisa acadêmica e grandes investimentos do setor privado do Google, IBM, Amazon e muitos outros.”

A equipe agora está trabalhando para melhorar o sistema, melhorando o controle do laser sobre os qubits, além de tornar o sistema mais programável. De acordo com os pesquisadores, as possíveis aplicações incluem sondar formas exóticas de matéria quântica e resolver problemas do mundo real que podem ser naturalmente codificados nos qubits.

“Este trabalho permite um grande número de novas direções científicas”, disse Ebadi. “Não estamos nem perto dos limites do que pode ser feito com esses sistemas.”