Processador quntico de luz precisa de apenas um qubit

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/12/2021

Processador quntico fotnico

Os computadores qunticos podem no apenas ser muito mais simples, como tambm podem funcionar a temperatura ambiente.

Esta a proposta de Ben Bartlett, Avik Dutt e Shanhui Fan, da Universidade de Stanford.

O trio idealizou uma nova arquitetura de processador quntico fotnico – que funciona com luz – que dispensa totalmente os aparatos criognicos necessrios para evitar que os qubits percam seus dados.

J foram feitas vrias demonstraes de portas lgicas qunticas para ftons, mas ningum ainda conseguiu construir e conectar um grande nmero delas para realizar clculos complexos.

A proposta dos trs pesquisadores consiste em usar um laser para manipular um nico qubit – um tomo – que, por sua vez, pode modificar o estado dos ftons por meio de um fenmeno chamado “teletransporte quntico“.

Peas j esto prontas

O uso do teletransporte permite trilhar um caminho diferente da corrida pelo aumento do nmero de qubits que tem marcado o desenvolvimento dos computadores qunticos usando outras plataformas, como os qubits supercondutores.

O tomo central do processador fotnico pode ser reiniciado e reutilizado por vrias portas qunticas, eliminando a necessidade de construir uma srie de portas qunticas fsicas distintas para aumentar a capacidade do processador, o que dever reduzir enormemente a complexidade do computador quntico.

“Normalmente, se voc quisesse construir este tipo de computador quntico, teria que pegar potencialmente milhares de emissores qunticos, torn-los todos perfeitamente indistinguveis e, em seguida, integr-los em um circuito fotnico gigantesco,” explicou Bartlett. “Enquanto que, com este projeto, precisamos apenas de um punhado de componentes relativamente simples, e o tamanho da mquina no aumenta com o tamanho do programa quntico que voc deseja executar.”

De fato, o projeto do processador quntico fotnico idealizado pela equipe exige apenas alguns poucos componentes: Um cabo de fibra ptica, um divisor de feixe de luz, um par de chaves pticas e uma cavidade ptica. Todos esses componentes j existem e esto comercialmente disponveis, o que facilitar o teste prtico da nova arquitetura.

“O que estamos propondo aqui aproveitar o esforo e o investimento que as pessoas fizeram para melhorar esses componentes,” disse Shanhui Fan. “Eles no so componentes novos feitos especificamente para computao quntica.”

Processador quntico de um nico qubit

A nova arquitetura do processador quntico de luz consiste em duas sees principais: Um anel de armazenamento e uma unidade de espalhamento. O anel de armazenamento, que funciona de maneira semelhante memria de um computador comum, um loop de fibra ptica contendo vrios ftons viajando ao redor do anel.

De modo anlogo ao modo como os bits armazenam informaes em um computador eletrnico clssico, aqui cada fton representa um qubit, cujo valor (0 ou 1) determinado pela direo de deslocamento do fton ao redor do anel de armazenamento.

Alm disso, como os ftons podem existir em dois estados ao mesmo tempo, um fton individual pode fluir em ambas as direes simultaneamente, o que representa um valor que uma combinao de 0 e 1 ao mesmo tempo – este fenmeno chamado superposio quntica.

possvel ler e escrever os dados no fton direcionando-o do anel de armazenamento para a unidade de espalhamento, onde ele viaja para uma cavidade contendo um nico tomo. O fton ento interage com o tomo, fazendo com que os dois fiquem entrelaados – ou emaranhados -, um fenmeno quntico pelo qual duas partculas podem se influenciar instantaneamente mesmo a grandes distncias.

Em seguida, o fton retorna ao anel de armazenamento e um laser altera o estado do tomo. Como o tomo e o fton esto entrelaados, a manipulao do tomo tambm altera o estado do fton entrelaado, mesmo que agora os dois j tenham se distanciado.

“Medindo o estado do tomo, voc pode teletransportar operaes para os ftons,” descreveu Bartlett. “Portanto, precisamos somente de um qubit atmico controlvel e podemos us-lo como um proxy para manipular indiretamente todos os outros qubits fotnicos.”

Processador quntico universal

Como qualquer porta lgica quntica pode ser compilada em uma sequncia de operaes realizadas no tomo, em princpio torna-se possvel executar qualquer programa quntico, de qualquer tamanho, usando apenas um qubit atmico controlvel.

Para executar um programa, o cdigo traduzido em uma sequncia de operaes que direcionam os ftons para a unidade de espalhamento e manipulam o qubit atmico. Como o modo como o tomo e os ftons interagem pode ser controlado, o mesmo dispositivo pode executar virtualmente qualquer tipo de programa quntico, tornando este um processador quntico universal.

“Para muitos computadores qunticos fotnicos, as portas so estruturas fsicas pelas quais os ftons passam, ento se voc quiser mudar o programa que est sendo executado, muitas vezes precisa reconfigurar fisicamente o hardware,” comparou Bartlett. “Enquanto, neste caso, voc no precisa alterar o hardware – voc precisa apenas dar mquina um conjunto diferente de instrues.”

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