Computação Quântica Um Passo Mais Perto de Aplicações no Mundo Real

Embora o mercado de computação quântica seja projetado para atingir $65 bilhões até 2030, ainda existem muitos obstáculos antes que entre em implementação no mundo real. No entanto, a computação quântica tem o potencial de resolver muitos dos nossos problemas mais complexos. Equipes de pesquisa em universidades e instituições privadas em todo o mundo estão trabalhando arduamente para tornar isso uma realidade.

Uma dessas equipes é liderada por Xu Yi, professor assistente de engenharia elétrica e computação na Escola de Engenharia e Ciência Aplicada da Universidade da Virgínia.

Sua equipe criou uma especialização na física e nas aplicações de dispositivos fotônicos, que são usados para detectar e moldar a luz para aplicações como comunicações e computação. A equipe desenvolveu uma plataforma de computação quântica escalável que reduz drasticamente o número de dispositivos necessários para alcançar a velocidade quântica, e isso foi possível em um chip fotônico do tamanho de uma moeda.

A equipe também incluiu Olivier Pfister, professor de óptica quântica e informação quântica na UVA, e Hansuek Lee, professor assistente no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia.

A pesquisa foi publicada em Nature Communications.

Também foi apoiada por Zijiao Yang, estudante de doutorado em física, e Mandana Jahanbozorgi, estudante de doutorado em engenharia elétrica e computação. Os dois são os co-autores principais do artigo.

Computação Quântica e Processamento de Informação

A computação quântica abre um novo caminho para o processamento de informações, e permite que seu computador de mesa ou laptop processe informações em longas sequências de bits. Um bit contém um valor zero ou um, e os computadores quânticos processam informações em paralelo, o que significa que não precisam esperar que uma sequência de informações seja processada antes de prosseguir para a próxima. Um qubit é a unidade fundamental de computação quântica, e é uma unidade de informação que pode ser zero e um ao mesmo tempo. Um modo quântico, por outro lado, abrange todo o espectro de variáveis entre zero e um.

Os pesquisadores agora estão trabalhando em diferentes abordagens para produzir eficientemente grandes números de qumodos necessários para alcançar velocidades quânticas.

A nova abordagem baseada em fotônica desenvolvida por Yi é especialmente útil, pois um campo de luz também é um espectro completo. Isso significa que cada onda de luz no espectro tem o potencial de se tornar uma unidade quântica. Yi hipotetizou que a luz alcançaria um estado quântico se os campos de luz estivessem emaranhados.

Criando o Sistema

A equipe de Yi criou uma fonte quântica em um microressonador óptico, que é uma estrutura anelar, de tamanho milimétrico, que envolve os fótons antes de gerar um microscópio, um dispositivo que converte fótons de uma única longitude de onda para múltiplas longitudes de onda. A luz circula em torno do anel e constrói potência óptica, o que aumenta as chances de interação entre os fótons. Isso, por sua vez, produz emaranhamento quântico entre os campos de luz no microcombinador.

A equipe de Yi usou multiplexação para verificar a geração de 40 qumodos a partir de um único microressonador em um chip, e demonstrou que a multiplexação de modos quânticos pode funcionar em plataformas fotônicas integradas.

“Estimamos que, quando otimizarmos o sistema, podemos gerar milhares de qumodos a partir de um único dispositivo”, disse Yi.

Por meio da técnica de multiplexação de Yi, estamos nos aproximando do uso da computação quântica em condições do mundo real, onde existem erros inevitáveis. Esses erros são devidos a estados quânticos e sua natureza frágil.

O número de erros pode exigir mais de um milhão de qubits para compensá-los, e há um aumento proporcional no número de dispositivos. A multiplexação reduz esse número de dispositivos em duas ou três ordens de magnitude.

Existem duas vantagens adicionais no sistema baseado em fotônica de Yi. Primeiro, porque o fóton não tem massa, os computadores quânticos com chips fotônicos integrados podem funcionar ou dormir à temperatura ambiente. Lee também fabricou o microressonador em um chip de silício usando técnicas de litografia padrão. Isso significa que o ressonador ou a fonte quântica poderia ser produzida em massa.

“Estamos orgulhosos de impulsionar as fronteiras da engenharia na computação quântica e acelerar a transição da óptica em massa para a fotônica integrada”, disse Yi. “Continuaremos a explorar maneiras de integrar dispositivos e circuitos em uma plataforma de computação quântica baseada em fotônica e otimizar seu desempenho.”