A computação quântica, embora ainda em seus primeiros dias, tem o potencial de aumentar drasticamente o poder de processamento, aproveitando o estranho comportamento das partículas nas menores escalas. Alguns grupos de pesquisa já relataram realizar cálculos que levariam milhares de anos para um supercomputador tradicional. A longo prazo, os computadores quânticos podem fornecer criptografia inquebrável e simulações da natureza além das capacidades atuais.
Uma equipe de pesquisa interdisciplinar liderada pela UCLA, incluindo colaboradores da Universidade de Harvard, desenvolveu agora uma estratégia fundamentalmente nova para construir esses computadores. Embora o estado da arte atual empregue circuitos, semicondutores e outras ferramentas de engenharia elétrica, a equipe produziu um plano de jogo baseado na capacidade dos químicos de projetar blocos de construção atômicos personalizados que controlam as propriedades de estruturas moleculares maiores quando são colocadas juntos.
As descobertas, publicadas na semana passada na Nature Chemistry, podem levar a um salto no poder de processamento quântico.
“A idéia é, em vez de construir um computador quântico, deixar a química construí-lo para nós”, disse Eric Hudson, professor presidencial de física David S. Saxon da UCLA e autor correspondente do estudo. “Todos nós ainda estamos aprendendo as regras para esse tipo de tecnologia quântica, então este trabalho é muito sci-fi agora”.
As unidades básicas de informação na computação tradicional são bits, cada um limitado a um de apenas dois valores. Em contraste, um grupo de bits quânticos – ou qubits – pode ter uma gama muito mais ampla de valores, aumentando exponencialmente o poder de processamento de um computador. Mais de 1.000 bits normais são necessários para representar apenas 10 qubits, enquanto 20 qubits requerem mais de 1 milhão de bits.
Essa característica, no centro do potencial transformacional da computação quântica, depende das regras contra-intuitivas que se aplicam quando os átomos interagem. Por exemplo, quando duas partículas interagem, elas podem ficar ligadas ou emaranhadas, de modo que a medição das propriedades de uma determina as propriedades da outra. Emaranhar qubits é um requisito da computação quântica.
No entanto, esse emaranhado é frágil. Quando os qubits encontram variações sutis em seus ambientes, eles perdem sua “quantidade”, necessária para implementar algoritmos quânticos. Isso limita os computadores quânticos mais poderosos a menos de 100 qubits, e manter esses qubits em um estado quântico requer grandes máquinas.
Para aplicar a computação quântica na prática, os engenheiros devem aumentar esse poder de processamento. Hudson e seus colegas acreditam que deram um primeiro passo com o estudo, onde a teoria guiou a equipe para fazer moléculas sob medida que protegem o comportamento quântico.
Os cientistas desenvolveram pequenas moléculas que incluem átomos de cálcio e oxigênio e atuam como qubits. Essas estruturas de cálcio-oxigênio formam o que os químicos chamam de grupo funcional, o que significa que ele pode ser conectado a quase qualquer outra molécula, ao mesmo tempo em que confere suas próprias propriedades a essa molécula.
A equipe mostrou que seus grupos funcionais mantinham a estrutura desejada mesmo quando ligados a moléculas muito maiores. Seus qubits também podem resistir ao resfriamento a laser, um requisito fundamental para a computação quântica.
“Se pudermos ligar um grupo funcional quântico a uma superfície ou a alguma molécula longa, poderemos controlar mais qubits”, disse Hudson. “Também deveria ser mais barato aumentar a escala, porque um átomo é uma das coisas mais baratas do universo. Você pode fazer quantos quiser.”
Além de seu potencial para computação de próxima geração, o grupo funcional quântico pode ser uma bênção para descobertas básicas em química e ciências da vida, por exemplo, ajudando os cientistas a descobrir mais sobre a estrutura e a função de várias moléculas e produtos químicos no corpo humano. .
“Os qubits também podem ser ferramentas extremamente sensíveis para medição”, disse o coautor do estudo Justin Caram, professor assistente de química e bioquímica da UCLA. “Se pudéssemos protegê-los para que possam sobreviver em ambientes complexos, como sistemas biológicos, estaríamos armados com tantas informações novas sobre nosso mundo”.
Hudson disse que o desenvolvimento de um computador quântico de base química pode levar décadas de forma realista e não é certo que tenha sucesso. As etapas futuras incluem ancorar qubits a moléculas maiores, persuadir qubits amarrados a interagir como processadores sem sinalização indesejada e enredá-los para que funcionem como um sistema.
O projeto foi semeado por uma concessão do Departamento de Energia que deu aos físicos e químicos a chance de cortar jargões específicos de disciplinas e falar em uma linguagem científica comum. Caram também credita a atmosfera de colaboração fácil da UCLA.
“Este é um dos projetos mais gratificantes intelectualmente em que já trabalhei”, disse ele. “Eric e eu nos conhecemos almoçando no Faculty Center. Isso nasceu de conversas divertidas e de estar aberto a conversar com novas pessoas.”
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