Uma equipe de físicos do Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e de outras universidades desenvolveu um tipo especial de computador quântico conhecido como simulador quântico programável capaz de operar com 256 bits quânticos, ou “qubits”.
O sistema marca um grande passo para a construção de máquinas quânticas em grande escala que poderiam ser usadas para lançar luz sobre uma série de processos quânticos complexos e, eventualmente, ajudar a trazer avanços do mundo real em ciência de materiais, tecnologias de comunicação, finanças e muitos outros campos, superando obstáculos de pesquisa que estão além das capacidades até mesmo dos supercomputadores mais rápidos da atualidade. Qubits são os blocos de construção fundamentais nos quais os computadores quânticos funcionam e a fonte de seu enorme poder de processamento.
“Isso move o campo para um novo domínio onde ninguém nunca esteve até agora”, disse Mikhail Lukin, o professor de física George Vasmer Leverett, codiretor da Harvard Quantum Initiative e um dos autores sênior do estudo publicado hoje na revista Nature. “Estamos entrando em uma parte completamente nova do mundo quântico.”
De acordo com Sepehr Ebadi, estudante de física na Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências e principal autor do estudo, é a combinação do tamanho sem precedentes do sistema e da capacidade de programação que o coloca na vanguarda da corrida por um computador quântico, que aproveita o propriedades misteriosas da matéria em escalas extremamente pequenas para um grande avanço no poder de processamento. Sob as circunstâncias certas, o aumento nos qubits significa que o sistema pode armazenar e processar exponencialmente mais informações do que os bits clássicos nos quais os computadores padrão são executados.
“O número de estados quânticos que são possíveis com apenas 256 qubits excede o número de átomos no sistema solar”, disse Ebadi, explicando o vasto tamanho do sistema.
O simulador já permitiu aos pesquisadores observar vários estados quânticos exóticos da matéria que nunca haviam sido realizados experimentalmente e realizar um estudo de transição de fase quântica tão preciso que serve como um exemplo clássico de como o magnetismo funciona no nível quântico.
Esses experimentos fornecem informações poderosas sobre a física quântica subjacente às propriedades dos materiais e podem ajudar a mostrar aos cientistas como projetar novos materiais com propriedades exóticas.
O projeto usa uma versão significativamente atualizada de uma plataforma desenvolvida pelos pesquisadores em 2017, que era capaz de atingir o tamanho de 51 qubits. Esse sistema mais antigo permitiu aos pesquisadores capturar átomos de rubídio ultra-frios e organizá-los em uma ordem específica usando uma matriz unidimensional de feixes de laser focalizados individualmente, chamados de pinças ópticas.
Este novo sistema permite que os átomos sejam montados em arranjos bidimensionais de pinças ópticas. Isso aumenta o tamanho do sistema alcançável de 51 para 256 qubits. Usando a pinça, os pesquisadores podem organizar os átomos em padrões sem defeitos e criar formas programáveis como retículos quadrados, em favo de mel ou triangulares para projetar diferentes interações entre os qubits.
“O carro-chefe desta nova plataforma é um dispositivo chamado modulador de luz espacial, que é usado para moldar uma frente de onda óptica para produzir centenas de feixes de pinça ópticos focalizados individualmente”, disse Ebadi. “Esses dispositivos são essencialmente os mesmos que são usados dentro de um projetor de computador para exibir imagens em uma tela, mas nós os adaptamos para serem um componente crítico de nosso simulador quântico.”
O carregamento inicial dos átomos nas pinças ópticas é aleatório e os pesquisadores devem mover os átomos para organizá-los em suas geometrias alvo. Os pesquisadores usam um segundo conjunto de pinças ópticas móveis para arrastar os átomos para os locais desejados, eliminando a aleatoriedade inicial. Lasers dão aos pesquisadores controle completo sobre o posicionamento dos qubits atômicos e sua manipulação quântica coerente.
Outros autores seniores do estudo incluem os professores de Harvard Subir Sachdev e Markus Greiner, que trabalharam no projeto junto com o professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts Vladan Vuletić, e cientistas de Stanford, da Universidade da Califórnia em Berkeley, da Universidade de Innsbruck na Áustria, o austríaco Academy of Sciences e QuEra Computing Inc. em Boston.
“Nosso trabalho faz parte de uma corrida global realmente intensa e de alta visibilidade para construir computadores quânticos maiores e melhores”, disse Tout Wang, pesquisador associado em física em Harvard e um dos autores do artigo. “O esforço geral [além do nosso] envolve as principais instituições de pesquisa acadêmica e grandes investimentos do setor privado do Google, IBM, Amazon e muitos outros.”
Os pesquisadores estão atualmente trabalhando para melhorar o sistema, melhorando o controle do laser sobre os qubits e tornando o sistema mais programável. Eles também estão explorando ativamente como o sistema pode ser usado para novas aplicações, desde a sondagem de formas exóticas de matéria quântica até a solução de problemas desafiadores do mundo real que podem ser codificados naturalmente nos qubits.
“Este trabalho permite um grande número de novas direções científicas”, disse Ebadi. “Não estamos nem perto dos limites do que pode ser feito com esses sistemas.”
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