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Efeito ptico descoberto no sculo 19 leva computao quntica a uma nova dimenso

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Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 21/08/2023

Efeito

O efeito Talbot forma padres peridicos de luz laser. Qubits de tomo nico podem ser armazenados e processados nos pontos de alta intensidade (vermelho).
[Imagem: TU Darmstadt/APQ]

Rede de luz para qubits

Um efeito ptico descoberto em 1836 por um dos pioneiros da fotografia (William Talbot [1800-1877]), est permitindo superar um dos maiores obstculos construo de um computador quntico com relevncia prtica.

Para a maioria das plataformas, o elemento crucial para um computador quntico prtico est no aumento do nmero dos qubits, que devem saltar das dezenas ou centenas atuais para as centenas de milhares e milhes.

Malte Schlosser e colegas da Universidade Tcnica Darmstadt, na Alemanha, descobriram agora como tirar proveito do Efeito Talbot para aumentar o nmero de qubits de algumas centenas para mais de 10.000 sem exigir um aumento proporcional dos recursos para fazer o computador funcionar, o que tem sido um fator impeditivo para a ampliao dos computadores qunticos atuais.

A arquitetura aprimorada pela equipe baseada em qubits atmicos, na qual tomos individuais so presos e controlados por uma matriz de raios laser, cuja ilustrao lembra uma caixa de ovos – em vez de um ovo, cada posio na matriz, formada quando os feixes de laser se cruzam, contm um tomo que funciona como qubit.

O problema est na ampliao dessa “rede ptica” para aumentar o nmero de qubits, o que exige tambm aumentar a sada do laser de maneira proporcional, alm de montar uma parafernlia de lentes e espelhos que invivel. a que entra o efeito difrativo longamente conhecido, mas que nunca havia sido explorado no campo da computao quntica.

Efeito

O efeito gera uma multiplicao da “malha de luz”.
[Imagem: Cortesia Fort et al. – 10.1007/s00348-019-2870-7]

Efeito Talbot

O Efeito Talbot ocorre quando a onda plana de uma fonte de luz coerente incide sobre uma grade de difrao peridica: Imagens dessa grade surgem a distncias tambm peridicas, chamadas de distncias de Talbot. As imagens repetidas so chamadas autoimagens ou imagens Talbot.

Os pesquisadores apontaram um laser para um elemento de vidro, do tamanho de uma unha, no qual minsculas lentes pticas so dispostas de forma semelhante a um tabuleiro de xadrez. Cada microlente agrupa uma pequena parte do feixe de laser, criando assim um plano de pontos focais, que pode conter os tomos que funcionam como qubits.

O efeito Talbot ento emerge no topo da estrutura, com a camada de pontos focais repetindo-se vrias vezes em intervalos iguais, criando inmeras autoimagens. Portanto, uma rede ptica em 2D torna-se uma rede em 3D, com muitas vezes os pontos de luz iniciais, sem precisar aumentar a potncia do laser. “Conseguimos isso de graa,” disse Malte Schlosser, principal autor do trabalho.

J existem redes pticas 3D h muito tempo, tipicamente criadas cruzando seis feixes de laser, que geram um padro de interferncia em 3D que prende os tomos nos pontos de alta ou baixa intensidade de luz. uma boa alternativa s pinas pticas, mas o espaamento entre os tomos fixado pelo comprimento de onda da luz, o que pode limitar o controle sobre o comportamento dos tomos. O Efeito Talbot elimina esse inconveniente.

Efeito

Na configurao da equipe, um feixe de laser atinge um conjunto de microlentes esquerda. Os elementos pticos concentram a luz de sada em padres 2D repetidos de pontos.
[Imagem: Malte Schlosser et al. – 10.1103/PhysRevLett.130.180601]

Outros usos

A alta preciso de fabricao das microlentes permitiu gerar autoimagens muito regularmente organizadas, perfeitamente adequadas para conter os qubits.

Os pesquisadores j demonstraram isso carregando algumas camadas adicionais com tomos individuais. Com a sada de laser usada neste primeiro experimento, foram criadas 16 camadas livres, o que potencialmente permite montar mais de 10.000 qubits. Segundo a equipe, com os lasers disponveis j seria possvel quadruplicar essa potncia.

“O campo das microlentes tambm pode ser otimizado ainda mais, criando mais pontos focais com lentes menores,” explicou o professor Gerhard Birkl. “Portanto, 100.000 qubits ou mais sero possveis em um futuro prximo.”

Ao mesmo tempo, o professor Schlosser chama a ateno para o fato de que esta tecnologia no se limita aos computadores qunticos: “Nossa plataforma tambm pode ser potencialmente aplicvel a relgios atmicos pticos de alta preciso”.

Bibliografia:

Artigo: Scalable Multilayer Architecture of Assembled Single-Atom Qubit Arrays in a Three-Dimensional Talbot Tweezer Lattice
Autores: Malte Schlosser, Sascha Tichelmann, Dominik Schffner, Daniel Ohl de Mello, Moritz Hambach, Jan Schtz, Gerhard Birkl
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 130, 180601
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.180601

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