Processador quntico ferminico pode ser melhor que verso com qubits

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 28/08/2023

Processador quntico ferminico

Pesquisadores da ustria e dos EUA projetaram um novo tipo de computador quntico que, em vez dos tradicionais qubits, usa tomos ferminicos para simular sistemas fsicos complexos.

O processador usa matrizes de tomos neutros programveis e capaz de simular o comportamento de materiais de maneira eficiente em termos de hardware – a equipe demonstrou essa eficincia usando modelos da fsica de partculas e da qumica quntica.

Frmions so as partculas de matria, como os eltrons, prtons, quarks e neutrinos, contrastando com os bsons, a famlia dos ftons, glons, msons etc. J tomos ferminicos so tomos compostos por um nmero mpar de partculas (eltrons + prtons + nutrons).

Enquanto os tomos bosnicos so sociveis, podendo se juntar em um condensado de Bose-Einstein, por exemplo, para formar uma espcie de tomo artificial, em que todos se comportam como se fossem um s, os tomos ferminicos so muito menos sociveis por que o Princpio de Excluso de Pauli impede que eles ocupem o mesmo estado quntico simultaneamente (mas, sim, existem “condensados ferminicos“).

Acontece que os tomos ferminicos esto envolvidos em coisas muito interessantes, como na supercondutividade, no plasma de quarks e glons (a sopa primordial do Universo) e, mais fundamentalmente, na formao das molculas. Assim, um processador ferminico – voc tambm pode cham-lo de simulador quntico ferminico – ideal para simular todos esses sistemas de largo interesse prtico.

“Nos computadores qunticos baseados em qubits, recursos extras precisam ser dedicados para simular essas propriedades, geralmente na forma de qubits adicionais ou circuitos qunticos mais longos,” justifica Daniel Cuadra, da Universidade de Innsbruck, na ustria.

Informao quntica em partculas ferminicas

Um processador quntico ferminico composto por um registrador e um conjunto de portas lgicas.

“O registrador consiste em um conjunto de modos ferminicos, que podem estar vazios ou ocupados por um nico frmion, e esses dois estados formam a unidade local de informao quntica,” detalha Cuadra. “O estado do sistema que queremos simular, como uma molcula composta por muitos eltrons, ser em geral uma superposio de muitos padres de ocupao, que podem ser codificados diretamente nesse registrador.”

Esta informao ento processada usando um circuito projetado para simular, por exemplo, a evoluo temporal de uma molcula. Qualquer circuito desse tipo pode ser decomposto em uma sequncia de apenas dois tipos de portas ferminicas, uma porta de tunelamento e uma porta de interao.

Os pesquisadores propem capturar tomos ferminicos usando uma srie de pinas pticas, que so feixes de laser altamente focados que conseguem segurar e mover tomos com alta preciso.

“O conjunto necessrio de portas qunticas ferminicas pode ser implementado nativamente nesta plataforma: Portas de tunelamento podem ser obtidas controlando o tunelamento de um tomo entre duas pinas pticas, enquanto as portas de interao so implementadas excitando primeiro os tomos para os estados de Rydberg, carregando um forte momento dipolar,” explicou Cuadra.

Usos de um processador ferminico

O processamento quntico ferminico particularmente til para simular as propriedades de sistemas compostos por muitos frmions em interao, como eltrons em uma molcula ou em um material, ou quarks dentro de um prton.

Isso lhe d aplicaes em muitos campos, desde a qumica quntica at a fsica de partculas. Os pesquisadores demonstram como seu processador quntico ferminico pode simular com eficincia modelos ferminicos da qumica quntica e da teoria de calibre de rede, que so dois campos importantes da fsica difceis de resolver com computadores clssicos.

“Ao usar frmions para codificar e processar informaes qunticas, algumas propriedades do sistema simulado so intrinsecamente garantidas no nvel do hardware, o que exigiria recursos adicionais em um computador quntico padro baseado em qubit,” concluiu Cuadra.

Com o roteiro pronto, o prximo passo ser construir um processador quntico ferminico e verificar se ele realmente cumpre todas as suas promessas

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