No futuro, os cientistas antecipam o uso da computação quântica para emular sistemas de materiais, simular química quântica e otimizar tarefas difíceis, com impactos potencialmente abrangendo finanças e produtos farmacêuticos.
No entanto, realizar essa promessa requer hardware resiliente e extensível. Um desafio na construção de um computador quântico de grande escala é que os pesquisadores devem encontrar uma maneira eficaz de interconectar nós de informação quântica – nós de processamento de menor escala separados por um chip de computador. Como os computadores quânticos são fundamentalmente diferentes dos computadores clássicos, as técnicas convencionais usadas para comunicar informações eletrônicas não se traduzem diretamente em dispositivos quânticos. No entanto, um requisito é certo: seja por meio de uma interconexão clássica ou quântica, as informações transportadas devem ser transmitidas e recebidas.
Para esse fim, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma arquitetura de computação quântica que permitirá comunicação extensível e de alta fidelidade entre processadores quânticos supercondutores. Em um trabalho publicado na Nature Physics, os pesquisadores do MIT demonstram o primeiro passo, a emissão determinística de fótons únicos – portadores de informação – em uma direção especificada pelo usuário. Seu método garante que a informação quântica flua na direção correta mais de 96% do tempo.
A vinculação de vários desses módulos permite uma rede maior de processadores quânticos interconectados entre si, independentemente de sua separação física em um chip de computador.
“As interconexões quânticas são um passo crucial para implementações modulares de máquinas de grande escala construídas a partir de componentes individuais menores”, diz Bharath Kannan Ph.D. ’22, co-autor principal de um trabalho de pesquisa que descreve esta técnica.
“A capacidade de se comunicar entre subsistemas menores permitirá uma arquitetura modular para processadores quânticos, e isso pode ser uma maneira mais simples de escalar para tamanhos de sistema maiores em comparação com a abordagem de força bruta de usar um único chip grande e complicado”, acrescenta Kannan.
Kannan escreveu o artigo com a co-autora Aziza Almanakly, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação no grupo de Sistemas Quânticos de Engenharia do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) do MIT. O autor sênior é William D. Oliver, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, MIT Lincoln Laboratory Fellow, diretor do Centro de Engenharia Quântica e diretor associado da RLE.
Movendo informações quânticas
Em um computador clássico convencional, vários componentes desempenham diferentes funções, como memória, computação etc. que movem elétrons em um processador de computador.
Mas a informação quântica é mais complexa. Em vez de manter apenas um valor de 0 ou 1, a informação quântica também pode ser 0 e 1 simultaneamente (um fenômeno conhecido como superposição). Além disso, a informação quântica pode ser transportada por partículas de luz, chamadas fótons. Essas complexidades adicionais tornam a informação quântica frágil e não pode ser transportada simplesmente usando protocolos convencionais.
Uma rede quântica conecta nós de processamento usando fótons que viajam por interconexões especiais conhecidas como guias de onda. Um guia de ondas pode ser unidirecional e mover um fóton apenas para a esquerda ou para a direita, ou pode ser bidirecional.
A maioria das arquiteturas existentes usa guias de onda unidirecionais, que são mais fáceis de implementar, pois a direção na qual os fótons viajam é facilmente estabelecida. Mas, como cada guia de onda move apenas os fótons em uma direção, mais guias de onda se tornam necessários à medida que a rede quântica se expande, o que dificulta o dimensionamento dessa abordagem. Além disso, os guias de onda unidirecionais geralmente incorporam componentes adicionais para reforçar a direcionalidade, o que introduz erros de comunicação.
“Podemos nos livrar desses componentes com perdas se tivermos um guia de ondas que possa suportar a propagação nas direções esquerda e direita e um meio de escolher a direção à vontade. Essa ‘transmissão direcional’ é o que demonstramos e é o primeiro passo em direção à comunicação bidirecional com fidelidades muito maiores”, diz Kannan.
Usando sua arquitetura, vários módulos de processamento podem ser colocados ao longo de um guia de onda. Uma característica notável do projeto de arquitetura é que o mesmo módulo pode ser usado tanto como transmissor quanto como receptor, diz ele. E os fótons podem ser enviados e capturados por quaisquer dois módulos ao longo de um guia de ondas comum.
“Temos apenas uma conexão física que pode ter qualquer número de módulos ao longo do caminho. Isso é o que a torna escalável. Tendo demonstrado a emissão direcional de fótons de um módulo, agora estamos trabalhando na captura desse fóton a jusante em um segundo módulo”, Almanakly acrescenta.
Aproveitando as propriedades quânticas
Para conseguir isso, os pesquisadores construíram um módulo composto por quatro qubits.
Qubits são os blocos de construção dos computadores quânticos e são usados para armazenar e processar informações quânticas. Mas os qubits também podem ser usados como emissores de fótons. Adicionar energia a um qubit faz com que o qubit fique excitado e, quando ele é desexcitado, o qubit emite a energia na forma de um fóton.
No entanto, simplesmente conectar um qubit a um guia de ondas não garante a direcionalidade. Um único qubit emite um fóton, mas se ele viaja para a esquerda ou para a direita é completamente aleatório. Para contornar esse problema, os pesquisadores utilizam dois qubits e uma propriedade conhecida como interferência quântica para garantir que o fóton emitido viaje na direção correta.
A técnica envolve preparar os dois qubits em um estado emaranhado de excitação única chamado estado de Bell. Este estado quântico-mecânico compreende dois aspectos: o qubit esquerdo sendo excitado e o qubit direito sendo excitado. Ambos os aspectos existem simultaneamente, mas não se sabe qual qubit é excitado em um determinado momento.
Quando os qubits estão nesse estado de Bell emaranhado, o fóton é efetivamente emitido para o guia de ondas nos dois locais de qubit simultaneamente, e esses dois “caminhos de emissão” interferem um no outro. Dependendo da fase relativa dentro do estado de Bell, a emissão de fótons resultante deve viajar para a esquerda ou para a direita. Ao preparar o estado de Bell com a fase correta, os pesquisadores escolhem a direção em que o fóton viaja pelo guia de ondas.
Eles podem usar essa mesma técnica, mas ao contrário, para receber o fóton em outro módulo.
“O fóton tem uma certa frequência, uma certa energia, e você pode preparar um módulo para recebê-lo sintonizando-o na mesma frequência. Se eles não estiverem na mesma frequência, o fóton simplesmente passará. É análogo ao ajuste um rádio para uma determinada estação. Se escolhermos a frequência de rádio correta, captaremos a música transmitida nessa frequência”, diz Almanakly.
Os pesquisadores descobriram que sua técnica alcançou mais de 96% de fidelidade – isso significa que, se eles pretendiam emitir um fóton para a direita, 96% das vezes ele foi para a direita.
Agora que usaram essa técnica para emitir fótons de maneira eficaz em uma direção específica, os pesquisadores querem conectar vários módulos e usar o processo para emitir e absorver fótons. Este seria um grande passo para o desenvolvimento de uma arquitetura modular que combina muitos processadores de menor escala em um processador quântico de maior escala e mais poderoso.
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