Uma pesquisa da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis, nos Estados Unidos, encontrou uma peça que faltava no quebra-cabeça da computação quântica óptica: a porta lógica quântica de dois bits. A tecnologia, muito mais eficiente do que a utilizada atualmente, foi desenvolvida por Jung-Tsung Shen, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas da universidade.
Shen desenvolveu uma porta lógica quântica de dois bits determinística e de alta fidelidade, que tira proveito de uma nova forma de luz. “No caso ideal, a fidelidade pode chegar a 97%”, disse Shen. A pesquisa foi publicada em maio de 2021, na revista científica Physical Review A.
Nova porta lógica é muito mais eficiente do que a tecnologia atual.Fonte: Jung-Tsung Shen/Reprodução
Entenda os computadores quânticos
O potencial dos computadores quânticos está ligado às propriedades incomuns de superposição — a capacidade de um sistema quântico de conter muitas propriedades distintas, ou estados, ao mesmo tempo; e emaranhamento — em que duas partículas agem como se estivessem correlacionadas, apesar de estarem fisicamente separadas uma da outra.
Enquanto a voltagem determina o valor de um bit (1 ou 0) em um computador clássico, os pesquisadores costumam usar elétrons individuais como “qubits”, o equivalente quântico. Elétrons têm várias características que se adaptam bem à tarefa: são facilmente manipulados por um campo elétrico ou magnético e interagem entre si. Essa interação é um benefício quando você precisa que dois bits estejam emaranhados, permitindo que a mecânica quântica se manifeste.
O problema com os elétrons é a sua propensão para interagir com tudo — de campos magnéticos perdidos a linhas de energia —, o que pode torná-los bem difíceis de controlar. Nas últimas duas décadas, no entanto, alguns cientistas têm tentado usar fótons como qubits em vez de elétrons. “Se os computadores vão ter um impacto real, precisamos pensar em criar a plataforma usando luz”, explicou Shen, no artigo.
Fótons, não têm carga, o que pode levar a problemas opostos: eles não interagem com o ambiente como os elétrons, mas também não interagem entre si. O desafio era projetar e criar interações inter-fótons eficazes (pelo menos no pensamento tradicional).
Inovação na computação quântica
Há menos de uma década, os cientistas descobriram que, mesmo que não estivessem emaranhados ao entrar em uma porta lógica, medir os dois fótons ao saírem os levou a se comportar como se já existissem. “A mecânica quântica não é difícil, mas é cheia de surpresas”, declarou Shen. A descoberta da medição foi inovadora, mas ainda não havia transformado a tecnologia, porque para cada milhão de fótons, apenas um par ficou emaranhado.
De lá para cá, os pesquisadores tiveram mais sucesso, mas, como Shen observou, “ainda não é bom o suficiente para um computador”, que precisa realizar de milhões a bilhões de operações por segundo.
Shen foi capaz de construir uma porta lógica quântica de dois bits com essa eficiência devido à descoberta de uma nova classe de estados fotônicos quânticos: dímeros fotônicos, fótons emaranhados no espaço e na frequência. A previsão do professor foi validada experimentalmente em 2013 e, desde então, ele tem encontrado mais aplicações para essa nova forma de luz.
Quando um único fóton entra em uma porta lógica, nada notável acontece (ele entra e sai). Mas quando há dois fótons, “foi quando previmos que os dois poderiam criar um estado, dímeros fotônicos. Acontece que esse novo estado é crucial”, explicou o pesquisador.
Nova porta lógica pode revolucionar a computação
Modelo da porta lógica de dois bits de alta fidelidade.Fonte: Jung-Tsung Shen/Reprodução
Matematicamente, há muitas maneiras de projetar uma porta lógica para operações de dois bits (chamadas de designs equivalentes). A porta lógica projetada por Shen e seu grupo é a porta de fase controlada (ou porta Z controlada). A principal diferença dela é que os dois fótons que saem estão no estado negativo dos dois fótons que entraram. “Em circuitos clássicos, não há sinal de menos”, disse Shen. “Mas na computação quântica, verifica-se que o sinal de menos existe e é crucial”, emendou.
Quando dois fótons independentes (representando dois qubits ópticos) entram na porta lógica, "o design da porta lógica é tal que os dois fótons podem formar um dímero fotônico", explicou Shen. “O novo estado fotônico quântico é crucial, pois permite que o estado de saída tenha o sinal correto, sendo essencial para as operações lógicas ópticas”, complementou.
No momento o pesquisador trabalha com a Universidade de Michigan em testes de uma porta lógica de estado sólido que pode operar em condições moderadas. Até agora os resultados parecem positivos. “É como um quebra-cabeça”, disse ele. “Pode ser complicado de fazer, mas uma vez feito, apenas olhando para ele, você saberá que está correto”, encerrou Shen.
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