Tecnologia Científica

Registro quântico atinge 1.200 átomos neutros em operação contínua
Uma equipe de físicos liderada por Johannes Zeiher, líder do grupo de pesquisa no departamento de Sistemas Quânticos de Muitos Corpos de Immanuel Bloch e cofundador da spin-off do MPQ, planqc, alcançou um progresso significativo na ampliação...
Por Instituto Max Planck - 09/10/2024


Registro quântico baseado em átomos neutros movidos de uma zona de carga (esquerda) para a zona de armazenamento (direita). Ao reabastecer regularmente a zona de carga, o conjunto de armazenamento pode ser construído e então operado continuamente. Crédito: Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ)


Uma equipe de físicos liderada por Johannes Zeiher, líder do grupo de pesquisa no departamento de Sistemas Quânticos de Muitos Corpos de Immanuel Bloch e cofundador da spin-off do MPQ, planqc, alcançou um progresso significativo na ampliação de plataformas de computação quântica com átomos neutros.

Em um experimento no Instituto Max Planck de Óptica Quântica, em cooperação com o planqc, os pesquisadores conseguiram estabelecer um registro de 1.200 átomos em uma rede óptica de luz laser e mantê-la em operação contínua por uma hora. Até agora, arranjos desse tamanho têm sido difíceis de manter devido a perdas atômicas inevitáveis.

Os físicos conseguiram resolver esse problema usando uma técnica sofisticada que lhes permite recarregar sucessivamente novos átomos no registrador de qubits e, em princípio, operá-lo por um período de tempo indefinido.

Hoje, sabemos o quão difícil é calcular sistemas quânticos com computadores clássicos. Isso se deve ao fato de que os sistemas mecânicos quânticos se tornam exponencialmente mais complexos à medida que crescem em tamanho. Mesmo um cálculo preciso do comportamento de 100 partículas quânticas está além das capacidades da maioria dos supercomputadores modernos.

Ao mesmo tempo, uma compreensão fundamental de sistemas quânticos complexos é essencial para prever as propriedades de, por exemplo, certos materiais ou biomoléculas.
No início da década de 1980, o físico e ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman propôs, portanto, usar simuladores quânticos e computadores para calcular fenômenos mecânicos quânticos complexos em vez de computadores clássicos, pois eles obedecem às mesmas leis dos sistemas a serem calculados e, assim, contornam as limitações dos computadores clássicos.

Enquanto simuladores quânticos são principalmente adequados para problemas muito específicos, adaptados à plataforma, como na física do estado sólido, computadores quânticos são mais universalmente aplicáveis. Eles exigem, no entanto, maior esforço e controle.

Eles são baseados em unidades de armazenamento individuais, interconectadas e totalmente programáveis, chamadas qubits, que são capazes de executar algoritmos definidos usando portas quânticas entre elas. Essa versatilidade e o alto potencial no poder de processamento dos computadores quânticos abrem novas possibilidades científicas e tecnológicas, por exemplo, na compreensão fundamental e no desenvolvimento de novos materiais, ou no campo de cálculos químicos quânticos de estruturas moleculares.

No entanto, um grande obstáculo para a pesquisa dessa tecnologia promissora é o dimensionamento de computadores quânticos e simuladores para grandes números de qubits, mantendo o controle necessário sobre os constituintes individuais. Atualmente, há várias abordagens competindo entre si para enfrentar esse desafio. Uma delas é baseada em átomos neutros .

Tais computadores quânticos atômicos e simuladores quânticos dependem fortemente de arranjos atômicos estáveis e escaláveis, que formam os registros necessários para computações. Os átomos são capturados individualmente usando pinças ópticas, feixes de laser fortemente focados , ou redes ópticas, arranjos periódicos extremamente precisos formados a partir de feixes de laser interferentes.

Cada átomo individual preso em tais pinças ou treliças pode servir como um qubit. No entanto, quanto maior o registro, mais átomos são perdidos ou aquecidos, tornando o sistema mais propenso a erros prejudiciais ao longo do tempo. Nos sistemas de hoje, todo o registro de átomos precisa ser reabastecido regularmente, o que limita severamente o tamanho que um sistema pode atingir.

Zeiher e sua equipe agora conseguiram integrar um tipo de zona de recarga em sua configuração experimental, que está operando com o átomo alcalino-terroso estrôncio. A cada 3,5 segundos, cerca de 130 átomos são adicionados ao registro.

"Essa técnica de substituição de átomos perdidos em tempo real é um passo importante em direção ao uso prático das tecnologias quânticas, porque somente por meio da operação ininterrupta e mais duradoura dos sistemas é que cálculos, simulações e medições quânticas em larga escala se tornam possíveis", diz Zeiher, que é o chefe do experimento.

Os próximos passos neste experimento envolvem controlar o estado eletrônico dos átomos, por exemplo, com pinças ópticas , de modo que cada átomo individual no registro se torne um qubit contendo informações quânticas. Adicionar interações controladas entre átomos próximos na matriz permite então a geração de emaranhamento quântico — a base para qualquer computação quântica.

"Já estamos trabalhando em conceitos para combinar nossa nova técnica com computação quântica ininterrupta. Manter a coerência dos qubits durante a etapa de recarga é essencial para desbloquear o grande potencial da computação quântica e da simulação quântica.

"Estamos animados para juntar os pedaços em direção a esse objetivo", acrescenta o Dr. Flavien Gyger, primeiro autor do artigo agora publicado na Physical Review Research .

"Para executar um algoritmo quântico com impacto na indústria, estamos falando de milhares de qubits e precisamos mantê-los operacionais por horas para executar protocolos de correção de erros. Nossos resultados podem abrir caminho para manter continuamente essas grandes matrizes para explorar aplicações de curto prazo." diz Stepan Snigirev, engenheiro quântico líder na planqc e coautor do artigo.


Mais informações: Flavien Gyger et al, Operação contínua de matrizes de átomos em larga escala em redes ópticas, Physical Review Research (2024). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033104

Informações do periódico: Physical Review Research 

 

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