Tecnologia Científica
Computação qua¢ntica: abrindo novos domanios de possibilidades
Escondido sob nosso mundo cotidiano - na escala infinitesimal departículas atômicas e subatômicas - estãoum reino estranho e ilusãorio. a‰ um lugar semelhante a Lewis Carroll, ondepartículas fantasmaga³ricas surgem e desaparecem
Por
Tom Garlinghouse - 22/01/2020
Escondido sob nosso mundo cotidiano - na escala infinitesimal departículas atômicas e subatômicas - estãoum reino estranho e ilusãorio. a‰ um lugar semelhante a Lewis Carroll, ondepartículas fantasmaga³ricas surgem e desaparecem, elanãtrons em turbilha£o ocupam duas posições ao mesmo tempo e objetos possuem naturezas duplas - eles podem ser ondas epartículas simultaneamente.
Apesar da aparente irracionalidade desses conceitos, os cientistas nos últimos 120 anos demonstraram que esse domanio - conhecido como meca¢nica qua¢ntica - éa base sobre a qual nossa existaªncia física éconstruada. a‰ uma das teorias de maior sucesso na ciência moderna. Sem ele, não teraamos maravilhas como rela³gios ata´micos, computadores, lasers, LEDs, sistemas de posicionamento global e ressonância magnanãtica, entre muitas outras inovações.
a‰ no domanio da tecnologia da informação, no entanto, que podemos acabar devendo a meca¢nica qua¢ntica nossa maior davida. Os pesquisadores esperam usar os princapios qua¢nticos para criar um computador ultra poderoso que resolva problemas que os computadores convencionais não podem - desde melhorar a segurança cibernanãtica e modelar reações químicas atéformular novos medicamentos e tornar as cadeias de suprimentos mais eficientes. Esse objetivo pode revolucionar certos aspectos da computação e abrir um novo mundo de possibilidades tecnologiicas.
Graças aos avanços nas universidades e nos centros de pesquisa do setor, várias empresas já lançaram prota³tipos de computadores qua¢nticos, mas o campo ainda estãoaberto em questões fundamentais sobre hardware, software e conexões necessa¡rias para que as tecnologias qua¢nticas realizem seu potencial. Pesquisadores de Princeton estãotrabalhando para trazr o futuro da computação qua¢ntica por meio de pesquisas fundamentais em seus laboratórios e por meio de colaborações com parceiros do setor.
"O que éempolgante em Princeton éque temos experiência real tanto na ciência fundamental quanto na engenharia", disse Andrew Houck , professor de engenharia elanãtrica . "Temos lideres mundiais em todas as camadas desta pesquisa".
O componente fundamental dessa nova tecnologia éo qubit, uma versão qua¢ntica do bit cla¡ssico que os computadores comuns usam para representar informações. Um bit cla¡ssico tem um valor de 0 ou 1 e a junção desses bits em cadeias permite que os computadores representem informações como letras e números.
Os bits qua¢nticos, por outro lado, podem ter um valor de 0 ou 1 ao mesmo tempo. Essa qualidade bizarra deriva de um conceito qua¢ntico chamado superposição, no qual um objeto pode existir em dois ou mais estados ao mesmo tempo. O conceito, se fosse aplicado a vida cotidiana, resultaria no paradoxo conhecido como gato de Schra¶dinger, no qual um gato fictício estãosimultaneamente vivo e morto.
Os computadores qua¢nticos aproveitam a capacidade dos qubits existirem em diferentes estados ao mesmo tempo. Isso significa que os computadores qua¢nticos podem considerar muito mais informações ao mesmo tempo, avaliando muitos resultados simultaneamente, aumentando exponencialmente seu poder de ca¡lculo. Leia uma cartilha sobre o vocabula¡rio de qubits e terminologia relacionada .
Apresentando a Iniciativa Qua¢ntica de Princeton
Em setembro de 2019, a Universidade anunciou a criação da Iniciativa Qua¢ntica de Princeton para promover a exploração e a educação em todo o espectro, desde a pesquisa qua¢ntica fundamental atéaplicações em áreas como computação, sensores e comunicações.Â
A iniciativa chega em um momento de impulso nacional para as ciências qua¢nticas. Em 2018, o governo federal estabeleceu a Iniciativa Nacional Qua¢ntica para energizar a pesquisa e o treinamento em ciência e tecnologia da informação qua¢ntica. A iniciativa de Princeton oferecera¡ bolsas de estudo para estudantes de pós-graduação e pesquisadores de pa³s-doutorado e oportunidades de pesquisa e educação para estudantes de graduação.Â
Mais de 30 membros do corpo docente, provenientes dos departamentos de engenharia elanãtrica, física, química, ciência da computação e engenharia meca¢nica e aeroespacial, participara£o do novo programa. A iniciativa permitira¡ novas colaborações de pesquisa no campus e com outras universidades e indaºstrias.Â
"Os estados qua¢nticos são incrivelmente fra¡geis", disse Houck. “O progresso real émanter essas propriedades da meca¢nica qua¢ntica 'vivas' pelo maior tempo possível, para que vocêpossa realizar os tipos de ca¡lculos, sensores ou comunicações que deseja fazer antes que tudo isso desmorone.â€
O diretor inaugural da iniciativa éAndrew Houck, professor de engenharia elanãtrica. "Temos uma incravel coleção de especialistas em suas respectivas disciplinas", disse Houck, "e a Princeton Quantum Initiative nos oferece uma entidade que reaºne todos para acelerar o ritmo das descobertas".
A busca por qubits
Nas últimas três décadas, os pesquisadores qua¢nticos descobriram várias maneiras de produzir qubits. O coração de um qubit étipicamente uma partacula muito pequena - como um a¡tomo, aon ou elanãtron - que devido ao seu pequeno tamanho exibe propriedades qua¢nticas.
Um deles éo qubit ou transmon supercondutor, que já estãoem uso em alguns prota³tipos de computadores qua¢nticos comerciais em esta¡gio inicial da IBM e do Google. Um transmon éum tipo de a¡tomo artificial construado a partir de materiais como nia³bio e alumanio que, a baixas temperaturas, podem transportar corrente elanãtrica sem resistência. Esses materiais são padronizados para formar um pequeno circuito elanãtrico que se comporta como um a¡tomo. O estado do qubit, o quantum 0 ou 1, érepresentado pela quantidade de energia armazenada no a¡tomo artificial.
Manter esse estado qua¢ntico por tempo suficiente para ser útil, no entanto, éum dos principais desafios para o transmon e outros tipos de qubits. Influaªncias ambientais, como vibrações, calor ou luz, podem afetar as propriedades qua¢nticas. Essa "decoeraªncia" pode dificultar a manutenção de uma partacula em um estado qua¢ntico por um breve período de tempo.
"Os estados qua¢nticos são incrivelmente fra¡geis", disse Houck. “O progresso real émanter essas propriedades da meca¢nica qua¢ntica 'vivas' pelo maior tempo possível, para que vocêpossa realizar os tipos de ca¡lculos, sensores ou comunicações que deseja fazer antes que tudo isso desmorone.â€
Para enfrentar esse desafio, Houck e sua equipe estãocolaborando com a IBM Research para fortalecer o transmon atravanãs da construção de circuitos mais complexos que protegem contra a decoeraªncia. Isso permitira¡ que o transmon mantenha um estado qua¢ntico por várias centenas de microssegundos, tempo suficiente para executar muitas etapas de computação e representa um grande salto em relação a tecnologia anterior de qubit.
Outra estratanãgia para fazer qubits envolve a¡tomos reais. Jeffrey Thompson , professor assistente de engenharia elanãtrica, resfria os a¡tomos a temperaturas incrivelmente baixas e os prende em uma ca¢mara de va¡cuo. Uma vez isolados, os pesquisadores podem manipular um a¡tomo individual com raios laser fortemente focados, chamados pina§as a³pticas. Os pesquisadores podem usar sinais adicionais de laser para definir os naveis de energia do a¡tomo preso para representar estados qua¢nticos 0 ou 1.
"Os a¡tomos produzem qubits muito bons", disse Thompson. "Eles são realmente fa¡ceis de trabalhar e émuito fa¡cil ver um aºnico a¡tomo usando luz laser."
Ainda outro tipo de qubit depende de elanãtrons, ou mais especificamente, uma propriedade qua¢ntica inerente aos elanãtrons conhecida como spin. O spin descreve o momento angular do elanãtron e a s vezes écomparado ao movimento de rotação de um topo, mas também éana¡logo ao magnetismo porque, como um ama£, o spin de um elanãtron pode apontar para baixo ou para cima, representando os valores de 0 e 1.
Stephen Lyon , professor de engenharia elanãtrica, éum dos pesquisadores que explora maneiras de manter os qubits de spin em superposição por períodos relativamente longos. Sua equipe envia pulsos de microondas atravanãs de um tipo altamente purificado de silacio, chamado silacio-28, para coordenar os giros de milhões de elanãtrons. Os pesquisadores mostraram que eles podem manter spin qubits em superposição por até10 segundos, uma longa duração no reino qua¢ntico.
Para que a computação qua¢ntica alcance todo o seu potencial, os qubits não apenas precisara£o manter seus estados qua¢nticos, mas também precisara£o compartilhar informações entre si. Eles fazem isso atravanãs de uma propriedade qua¢ntica chamada emaranhamento.
Ilustração de JF Podevin
O gato de Schodinger atravessa uma porta impossível
Como a superposição, o emaranhamento éum conceito qua¢ntico desconcertante - mas fundamental -. Descreve como duaspartículas podem atuar em conjunto. Depois que duas ou maispartículas qua¢nticas interagem, elas podem reter sua conexão ou interdependaªncia. Se um qubit age de uma certa maneira, seu gaªmeo emaranhado age da mesma maneira, não importa a distância que os divide. Eles podem estar a milhões de quila´metros de distância, mas ainda agem em perfeita harmonia. Essa noção contra-intuitiva, que sobreviveu a vários desafios desde sua descoberta na década de 1930, levou Albert Einstein a rotular o emaranhado como "ação assustadora a distância".
Ao enredar qubits, os pesquisadores podem construir circuitos qua¢nticos que podem fazer ca¡lculos complexos. Jason Petta , professor de física de Eugene Higgins , estãotrabalhando nesse desafio para qubits de spin baseados em silacio. Rotações únicas podem durar atéum minuto. Os qubits de spin de silacio podem ser menos caros e mais fa¡ceis de fabricar do que outros tipos de qubits e, embora não estejam tão adiantados em desenvolvimento quanto os transmons, estãorapidamente se recuperando devido aos recentes avanços.
A equipe de Petta estãodesenvolvendo maneiras de transferir as informações codificadas no spin do elanãtron de um qubit para outro - fazendo com que os elanãtrons, como ele chama, “conversem entre siâ€. Eles constroem qubits confinando elanãtrons em minaºsculas ca¢maras de silacio chamadas pontos qua¢nticos. Os pesquisadores podem aplicar um forte campo magnético aos pontos para convencaª-los a transferir suas informações qua¢nticas parapartículas de luz, ou fa³tons, que atuam como mensageiros para transportar as informações para outros pontos qua¢nticos localizados nas proximidades. Essa estratanãgia já foi usada para emaranhar qubits supercondutores, e o grupo Petta mostrou que essa abordagem também funciona para qubits baseados em spin.
"a‰ como colocar um elanãtron e um fa³ton na mesma sala", disse Petta. "Vocaª pode transferir algumas das propriedades de rotação para o fa³ton, que voa pela sala, e depois usa¡-lo para transmitir informações para outra rotação no lado oposto da sala."
A variedade de maneiras de produzir qubits ressalta o estado da computação qua¢ntica atualmente. Uma das estratanãgias a longo prazo éfazer qubits dos fanãrmions de Majorana, que são objetos semelhantes apartículas que se formam sob condições especaficas. Previsto háquase um século, essas quase-partaculas foram observadas recentemente em experimentos liderados por Ali Yazdani , professor de Fasica de 1909 na classe. As propriedades dessas quase-partaculas derivam de um ramo da matemática chamado topologia, que descreve como os objetos podem ser dobrados ou esticados sem perder suas propriedades inerentes. Essa propriedade poderia dar a esses qubits topola³gicos uma melhor proteção contra a descoeraªncia.
Qual qubit finalmente formara¡ a base de uma futura indústria de computação qua¢ntica? Este éum campo em rápido desenvolvimento, com todos hesitantes em prever qual qubit seráo melhor, de acordo com Lyon. "Existem todas essas tecnologias diferentes", disse ele, "e a questãosimples éque não sabemos qual delas funcionara¡ melhor".
A internet qua¢ntica
Criar qubits que funcionem bem éapenas um aspecto da computação qua¢ntica. Um objetivo igualmente importante éa criação de uma rede qua¢ntica de informações - uma internet qua¢ntica - que seja mais segura que a internet de hoje. Nathalie de Leon , professora assistente de engenharia elanãtrica, estãotestando a viabilidade de diamantes sintanãticos como dispositivos que armazenam e transmitem informações de um lugar para o outro. Embora um diamante possa parecer claro e sem falhas, um exame minucioso revela algo muito diferente.
"Se vocêpegar um diamante e puxa¡-lo do cha£o e olhar para ele, percebera¡ todos esses pequenos defeitos", disse Leon. Esses defeitos da£o cor aos diamantes, mas acontece que eles também podem armazenar e transmitir informações.
De Leon e seus colegas descobriram que, substituindo dois a¡tomos de carbono por um a¡tomo de silacio, essa falha especafica nos diamantes pode atuar como um recepta¡culo perfeito para capturar um fa³ton. Os fa³tons já carregam informações atravanãs das fibras a³pticas da Internet atual e também podem ser usados ​​para transportar informações qua¢nticas.
De Leon e sua equipe estãotrabalhando para transmitir informações qua¢nticas de fa³tons para spins de elanãtrons, onde o ajuste fino adicional pode prolongar o estado qua¢ntico mantendo os spins de elanãtrons na orientação correta.
O envolvimento qua¢ntico garante que esse novo tipo de internet seja seguro contra hackers. Qualquer tentativa de escutar a transmissão perturbara¡ seu estado. Ao comparar o fa³ton transmitido ao seu gaªmeo emaranhado, o receptor pode dizer se um interceptador interrompeu a transmissão. "Enquanto as leis da física estiverem corretas, nosso canal estara¡ seguro", disse Leon.
Arquitetura qua¢ntica
Agora, poucos computadores qua¢nticos estãoem operação e alguns estãodisponíveis para experimentação na nuvem, mas ainda estãoem andamento. Por um lado, esses computadores tem qubits a s centenas, enquanto vários milhares ou atémilhões de qubits são necessa¡rios para problemas difaceis. Outro desafio éque os qubits são difaceis de fabricar, e alguns deles não se comportam conforme o esperado, exigindo que os pesquisadores adicionem qubits extras para correção de erros qua¢nticos.
E embora os computadores qua¢nticos sejam capazes de resolver problemas que atualmente não temos como resolver, eles provavelmente não substituira£o nossos computadores familiares pelas tarefas dia¡rias. "Nãoteremos um computador qua¢ntico no meu laptop ou telefone", disse Margaret Martonosi , professora de Ciência da Computação de Hugh Trumbull Adams '35 . "a‰ um conjunto de algoritmos bastante exclusivo e restrito, onde os computadores qua¢nticos tem uma vantagem sobre os computadores cla¡ssicos".
Um dos algoritmos aºnicos e restritos, no entanto, poderia decifrar os ca³digos de criptografia em uso hoje para proteger as transações com cartão de cranãdito na Internet. O potencial uso indevido da energia qua¢ntica estãoimpulsionando a busca por novos manãtodos de criptografia qua¢ntica.
Martonosi éum dos pioneiros a pensar em como os computadores qua¢nticos fara£o a transição dos prota³tipos de laboratório para dispositivos práticos e funcionais. Essa área de pesquisa échamada arquitetura de computador e envolve tudo, desde como um computador qua¢ntico interage com as tecnologias existentes atéque tipos de software seriam compataveis com os sistemas qua¢nticos.
Nos computadores de hoje, o software desempenha o papel de coordenar e traduzir bits em ca¡lculos e resultados. O mesmo se aplica a computação qua¢ntica. Martonosi e sua equipe estãodesenvolvendo programas chamados compiladores que laªem e traduzem linguagens de programação de altonívelatéoníveldos qubits do computador.
"Nosso compilador usa técnicas avana§adas de otimização para explorar os qubits com melhor comportamento", disse ela.
Ela também estãodesenvolvendo software para explorar quais algoritmos funcionam melhor com diferentes tipos de qubits e estãootimista sobre os desenvolvimentos recentes no campo. "Todo novo qubit em um computador qua¢ntico, se comportasse de maneira ideal, na verdade dobraria a capacidade de um computador qua¢ntico", disse Martonosi. “Isso seria mais rápido e melhor que o maior supercomputador da Terra. Esse seráum marco importante. â€
Embora os computadores qua¢nticos verdadeiramente poderosos, com milhões de qubits, ainda estejam a anos, as tecnologias para criar essa vantagem estãochegando mais perto. Nosso conhecimento progrediu a tal ponto que, em vez de simplesmente estudar a meca¢nica qua¢ntica, estamos prestes a desbloquear vastas novas capacidades utilizando seus conceitos bizarros e fantasmaga³ricos.
Jardim zoola³gico de Qubit: vocabula¡rio e terminologia qua¢nticos
A seguir éuma breve cartilha de conceitos e termos da computação qua¢ntica.
Qubits não bits. Computadores qua¢nticos fazem ca¡lculos com bits qua¢nticos, ou qubits, em vez dos bits digitais em computadores tradicionais. Os Qubits permitem que computadores qua¢nticos considerem quantidades de informação anteriormente inimagina¡veis.
Sobreposição. Objetos qua¢nticos podem estar em mais de um estado ao mesmo tempo, uma situação retratada pelo gato de Schra¶dinger, um felino fictício que estãosimultaneamente vivo e morto. Por exemplo, um qubit pode representar os valores 0 e 1 simultaneamente, enquanto os bits cla¡ssicos podem ser apenas 0 ou 1.
Emaranhado. Quando os qubits são emaranhados, eles formam uma conexão um com o outro que sobrevive, independentemente da distância entre eles. Uma mudança em um qubit alterara¡ seu gaªmeo emaranhado, uma descoberta que intrigou atéEinstein, que chamou o emaranhado de "ação assustadora a distância".
Tipos de qubits. No núcleo do computador qua¢ntico estãoo qubit, um bit qua¢ntico de informação tipicamente feito de uma partacula tão pequena que exibe propriedades qua¢nticas em vez de obedecer a s leis cla¡ssicas da física que governam nossa vida cotidiana. Va¡rios tipos de qubits estãoem desenvolvimento:
- Qubits supercondutores ou transmons. Já em uso em prota³tipos de computadores fabricados pelo Google, IBM e outros, esses qubits são feitos a partir de circuitos elanãtricos supercondutores.
- atomos presos. atomos presos no lugar por lasers podem se comportar como qubits. Os aons presos (a¡tomos carregados) também podem atuar como qubits.
- Qubits de rotação de silacio. Uma tecnologia promissora envolve prender elanãtrons nas ca¢maras de silacio para manipular uma propriedade qua¢ntica conhecida como spin.
- Qubits topola³gicos. Ainda no inicio do desenvolvimento, quase-partaculas chamadas fanãrmions de Majorana, que existem em certos materiais, tem potencial para serem usadas como qubits.Â
Este artigo foi publicado originalmente na revista anual de pesquisa da Universidade Discovery: Research at Princeton.Â
_0.png)
