Físicos Desenvolvem Computador Quântico Especial Com 256 Qubits

Em um grande avanço na computação quântica, uma equipe de físicos do Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e outras universidades criou um tipo especial de computador quântico. Esse 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 em larga escala, que poderiam ser usadas para obter uma visão profunda de processos quânticos complexos. Elas também poderiam ter implicações significativas em campos como ciência de materiais, tecnologias de comunicação, finanças e vários outros que atualmente enfrentam barreiras na pesquisa.

A pesquisa foi publicada em 9 de julho no Nature. 

Impulsionando o Campo Adiante

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

“Isso move o campo para um novo domínio onde ninguém 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 autor principal do estudo.

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

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

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

De acordo com os pesquisadores, esses experimentos poderiam ajudar os cientistas a aprender como projetar novos materiais com propriedades exóticas.

O Novo Sistema

O projeto depende de uma plataforma desenvolvida em 2017 pelos pesquisadores, mas foi significativamente atualizada desta vez. Ela era capaz de alcançar um tamanho de 51 qubits no passado e permitia que os pesquisadores capturassem átomos de rubídio ultrafrios e os organizassem em uma ordem específica por meio do uso de uma matriz unidimensional de feixes laser individualmente focados. 

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

“O cavalo de batalha dessa nova plataforma é um dispositivo chamado modulador de luz espacial, que é usado para dar forma a uma onda óptica para produzir centenas de feixes de pinças ópticas individualmente focados”, disse Ebadi. “Esses dispositivos são basicamente os mesmos usados dentro de um projetor de computador para exibir imagens em uma tela, mas os adaptamos para ser um componente crítico de nosso simulador quântico.”

Os átomos são carregados nas pinças ópticas aleatoriamente antes que os pesquisadores os movam e os organizem em geometrias de destino. Um segundo conjunto de pinças ópticas móveis é então usado para arrastar os átomos para suas localizações desejadas, o que elimina a aleatoriedade inicial. Os lasers permitem que os pesquisadores tenham controle total sobre a posição dos qubits atômicos e sua manipulação quântica coerente.

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

“Nosso trabalho faz parte de uma corrida global realmente intensa e de alto perfil para construir computadores quânticos maiores e melhores”, disse Wang. “O esforço geral [além do nosso] envolve instituições de pesquisa acadêmicas de ponta e investimento privado significativo da Google, IBM, Amazon e muitas outras.”

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

“Esse trabalho habilita um vasto número de novas direções científicas”, disse Ebadi. “Nós estamos longe dos limites do que pode ser feito com esses sistemas.”