Qubits naturais no diamante oferecem novo paradigma de computao quntica

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 22/08/2023

Qubits de diamante

Fsicos idealizaram uma nova arquitetura de computao quntica que evita grande parte da problemtica complexidade com que os engenheiros esto se deparando para construir os computadores qunticos atuais.

A estratgia implementa um algoritmo em interaes qunticas naturais para processar uma variedade de problemas do mundo real mais rapidamente do que os computadores clssicos ou os computadores qunticos convencionais, baseados em portas lgicas.

“Nossa descoberta elimina muitos requisitos desafiadores para o hardware quntico,” disse Nikolai Sinitsyn, do Laboratrio Nacional Los Alamos, nos EUA, que idealizou a nova arquitetura com seu colega Bin Yan. “Sistemas naturais, como os spins eletrnicos de defeitos nos diamantes, tm precisamente o tipo de interaes necessrias para nosso processo de computao”.

A ideia de usar os defeitos naturais do diamante como qubits no nova, mas at agora ningum havia conseguido tirar proveito deles de maneira otimizada. Os defeitos no diamante, conhecidos como vacncias de nitrognio ou centros de cor, ocorrem quando um tomo de nitrognio intromete-se na estrutura de carbono puro do diamante.

Alm de no precisar construir o qubit, no diamante tudo tem potencial para funcionar a temperatura ambiente, dispensando os complicados e caros sistemas criognicos atuais. Apesar disso, os pesquisadores sugerem que a implementao de sua arquitetura possa ser mais prontamente realizada utilizando tomos ultrafrios.

Usar qubits de diamante muito mais simples do que as arquiteturas atuais.
[Imagem: Christoph Hohmann/NIM]

Computao quntica mais simples

Em vez de configurar um sistema complexo de portas lgicas entre vrios qubits, que se comunicam compartilhando o fenmeno do entrelaamento quntico, a nova estratgia usa um campo magntico simples para girar os qubits, como os spins dos eltrons, localizados dentro dos nanodiamantes. A evoluo precisa dos estados de spin tudo o que necessrio para implementar o algoritmo de modo a resolver muitos problemas prticos propostos para os computadores qunticos.

Isso elimina a necessidade de conectar qubits em longas cadeias de portas lgicas e manter o entrelaamento quntico necessrio para a computao. O entrelaamento se desfaz muito facilmente – um processo conhecido como decoerncia – porque os qubits entrelaados interagem com o mundo fora do sistema quntico do computador, gerando erros. Uma correo de erros verdadeira ainda no foi implementada nos hardwares qunticos disponveis.

O truque ento foi aproveitar o entrelaamento quntico naturalmente presente no diamante, que muito mais robusto porque j convive com o mundo ao seu redor sem se degradar em fraes de segundo. Alm disso, isso requer muito menos conexes entre os qubits.

A equipe demonstrou que esta abordagem, quando implementada em um hardware real, poder ser usada para resolver o algoritmo de Grover mais rapidamente do que os computadores qunticos existentes. Um dos algoritmos qunticos mais conhecidos, ele permite fazer pesquisas no estruturadas em grandes conjuntos de dados, que consomem enormes recursos de computao convencionais.

Por exemplo, o algoritmo de Grover pode ser usado para dividir o tempo de execuo de tarefas igualmente entre dois computadores, para que ambos terminem ao mesmo tempo, juntamente com outras tarefas prticas. O algoritmo adequado para computadores qunticos ideais – na teoria -, sendo muito difcil implement-lo nas mquinas propensas a erros de hoje.

Nos defeitos de nitrognio na rede do cristal de diamante, um tomo de nitrognio (amarelo) induz tambm uma ausncia de um tomo de carbono (branco), criando a chamada vacncia de nitrognio. assim que o diamante pode guardar informao quntica por horas.
[Imagem: TUWien]

Quanticamente simples

A grande sacada da equipe foi perceber que muitos problemas computacionais famosos podem ser resolvidos usando um sistema quntico com interaes elementares, no qual apenas um spin atmico interage com o restante dos qubits computacionais. E esse spin pode ser controlado por um campo magntico externo.

“Nenhuma interao direta entre os qubits computacionais e nenhuma interao dependente do tempo com o spin central so necessrias no processo,” explicou Sinitsyn. “Uma vez que os acoplamentos estticos entre o spin central e os qubits so definidos, todo o clculo consiste apenas na aplicao de simples pulsos de campo externo dependentes do tempo, que giram os spins”.

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