Tecnologia Científica

Saltos Quânticos no Horizonte
Paola Cappellaro PhD '06 avança na computação da próxima geração
Por Mark Wolverton - 05/06/2020


Computação quântica(abre em uma nova janela)provavelmente será capaz de enfrentar
os maiores desafios de dados, mas os aplicativos exatos podem depender de quais
sistemas são mais práticos. "Ainda estamos no estágio em que estamos tentando
escolher a melhor tecnologia", diz Paola Cappellaro(abre em uma nova
janela)de NSE(abre em uma nova janela).

"QUANTUM" É UMA DAQUELAS CHAVÕES QUE APARECE em tudo, desde ficção científica a marcas comerciais. Mas a computação quântica - ou, mais especificamente, a ciência e engenharia da informação quântica - é uma disciplina real e de ponta, focada no desenvolvimento de sistemas que deixarão os supercomputadores mais rápidos da atualidade.

De fato, é todo um ecossistema de tecnologia baseado na mecânica quântica, um campo da física centrado em como as partículas subatômicas se movem e interagem, de acordo com Paola Cappellaro PhD '06, professora associada do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE). Cappellaro está na vanguarda da pesquisa de computação quântica do MIT como líder do Quantum Engineering Group no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.

"No meu grupo, trabalhamos não apenas em computação quântica, mas também em tecnologias associadas", diz Cappellaro. "O segmento comum é a ciência da informação quântica, como manipular, codificar e explorar informações usando dispositivos quânticos."

A tecnologia ainda está engatinhando, mas abordar a computação a partir da vanguarda da física promete uma mudança radical na maneira como os computadores enfrentam enormes desafios matemáticos, como quebrar códigos criptográficos, e simular sistemas complexos, como reações químicas complexas.

Mais memória e energia

Enquanto os computadores convencionais operam processando bits de dados que consistem em zeros e uns, geralmente codificados em forma eletrônica como on / off, a computação quântica é baseada em princípios que permitem que partículas subatômicas estejam em diferentes estados simultaneamente, permitindo bits quânticos, ou “qubits, ”Para conter mais informações.

Em teoria, um computador quântico deve superar o supercomputador mais avançado - mas até agora ninguém descobriu a melhor maneira de construí-lo. Isso ocorre porque existem muitas maneiras possíveis de criar os qubits de dados, todos envolvendo diferentes sistemas físicos e tipos de hardware. Além disso, os qubits são delicados e sujeitos ao que os físicos chamam de "decoerência" ou ao colapso de seu frágil estado quântico com a menor vibração ou mudança de temperatura.

Outro grande desafio está no tratamento de erros, que os computadores de hoje lidam com redundância. "Em vez de apenas codificar as informações em um bit, você pode codificá-las em um determinado número de bits e, em seguida, obtém uma votação majoritária", diz ela. Isso não funciona no mundo mais confuso dos qubits, por uma variedade de razões, incluindo que o distúrbio causado pela medição (“colapso da função de onda”) proíbe a verificação das condições da maioria dos votos.

O Quantum Engineering Group de Cappellaro está usando spins de elétrons e nucleares para enfrentar esse desafio. Sua abordagem se concentra em um tipo de defeito encontrado na estrutura cristalina do diamante, chamada de vacância de nitrogênio ou centro de NV, que pode ser aproveitada para criar qubits. “Criamos uma maneira de caracterizar o ruído em nosso sistema e, em seguida, criamos uma maneira eficiente de protegê-lo contra erros”, diz ela. "O que esperamos é que ... possamos realmente ter um sistema prático de correção de erros para os atuais dispositivos quânticos de escala intermediária".

Colaborações no MIT

Espera-se que os computadores quânticos sejam capazes de enfrentar os maiores desafios de big data, mas os aplicativos específicos podem depender de quais sistemas se mostram mais práticos. "Ainda estamos no estágio em que estamos tentando escolher a melhor tecnologia", diz Cappellaro.

Fazer essas escolhas significa explorar muitas opções diferentes, refletidas na ampla gama de pesquisadores envolvidos na computação quântica na Escola de Ciências do MIT e na Escola de Engenharia do MIT, bem como em muitos grupos do Laboratório Lincoln do MIT. Espera-se que a Faculdade de Computação Stephen A. Schwarzman do MIT una melhor os esforços de computação quântica do Instituto.

"Temos uma longa tradição em computação quântica", observa Cappellaro. “Mas o Schwarzman College poderia posicionar o MIT ainda melhor para desempenhar um papel maior nos Estados Unidos e no cenário mundial. Definitivamente, é uma oportunidade a ser aproveitada. ”