Uma equipe de físicos concebeu uma arquitetura de computação quântica inovadora que aborda de forma eficiente a complexidade que os engenheiros enfrentam ao construir os atuais computadores quânticos. A estratégia emprega interações quânticas naturais para implementar algoritmos, acelerando a resolução de problemas do mundo real em comparação com computadores clássicos e sistemas quânticos tradicionais baseados em portas lógicas.
Nikolai Sinitsyn e Bin Yan, do Laboratório Nacional Los Alamos nos EUA, idealizaram essa abordagem, que elimina muitos desafios do hardware quântico ao aproveitar as interações naturais presentes em sistemas como os spins eletrônicos de defeitos nos diamantes.
Embora a utilização de defeitos naturais do diamante, como as vacâncias de nitrogênio ou centros de cor, como qubits, não seja nova, esta nova arquitetura otimiza seu uso. Estes defeitos ocorrem quando um átomo de nitrogênio se incorpora na estrutura de carbono pura do diamante.
Um benefício adicional é que, ao utilizar o diamante, os requisitos para construção de qubits são reduzidos, e a viabilidade de operação em temperatura ambiente elimina a necessidade de sistemas criogênicos complexos e caros. Os pesquisadores também indicam que a implementação inicial da arquitetura pode ser realizada de maneira eficaz usando átomos ultrafrios.
(Foto: Christoph Hohmann/NIM)
Simplificando a Computação Quântica
Em contraste com as complexas arquiteturas atuais que interconectam qubits através de entrelaçamento quântico compartilhado por portas lógicas, a nova abordagem utiliza campos magnéticos para girar os qubits, como spins de elétrons em nanodiamantes. A evolução precisa dos estados de spin é suficiente para implementar algoritmos, eliminando a necessidade de longas cadeias de portas lógicas e mantendo o entrelaçamento.
Ao explorar o entrelaçamento natural do diamante, mais resiliente em relação ao ambiente, a equipe reduziu a vulnerabilidade à decoerência, um processo que prejudica o entrelaçamento em sistemas quânticos. Essa abordagem também minimiza as conexões entre os qubits.
A equipe demonstrou que sua estratégia pode acelerar a resolução do algoritmo de Grover, que é utilizado para pesquisas não estruturadas em grandes conjuntos de dados, oferecendo um potencial notável em relação aos computadores quânticos existentes. Embora desafiador de implementar em hardware sujeito a erros, o algoritmo de Grover poderia ter aplicações práticas, como dividir o tempo de execução de tarefas entre dois computadores, otimizando recursos.
Simplicidade Quântica
Uma descoberta significativa da equipe foi reconhecer que muitos problemas computacionais complexos podem ser solucionados usando um sistema quântico que se baseia em interações elementares. Nesse sistema, um único spin atômico interage com os demais qubits computacionais, sendo controlado por um campo magnético externo.
O aspecto inovador é que nenhum tipo de interação direta entre os qubits computacionais é necessário, tampouco dependência temporal com o spin central. Através da definição dos acoplamentos estáticos entre o spin central e os qubits, o processo inteiro de cálculo se resume à aplicação de pulsos simples de campo externo, dependentes do tempo, que direcionam a rotação dos spins.
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