Tecnologia Científica

Transformando a promessa da computação quântica em prática
O engenheiro elétrico William Oliver desenvolve tecnologia para permitir a computação quântica confiável em escala.
Por Daniel Ackerman - 19/01/2021


O engenheiro elétrico do MIT, William D. Oliver, desenvolve a tecnologia fundamental para habilitar computadores quânticos confiáveis ​​em escala. Créditos:Imagem: Adam Glanzman

Foi a música que despertou a paixão de toda a vida de William Oliver por computadores.

Crescendo na região de Finger Lakes, em Nova York, ele era um ávido tecladista. “Mas entrei na escola de música sobre voz”, diz Oliver, “porque era um pouco mais fácil”.

Mas uma vez na escola, primeiro na State University of New York em Fredonia e depois na University of Rochester, ele dificilmente se esquivou de um desafio. “Estava estudando tecnologia de gravação de som, o que me levou ao processamento digital de sinais”, explica Oliver. “E isso me levou aos computadores.” Vinte e cinco anos depois, ele ainda está preso a eles.

Oliver, um professor associado recém-nomeado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT, está construindo uma nova classe de computador - o computador quântico - com o potencial de melhorar radicalmente a forma como processamos informações e simulamos sistemas complexos. A computação quântica ainda está em seus primeiros dias, e Oliver pretende ajudar a conduzir o campo para fora do laboratório e para o mundo real. “Nossa missão é construir as tecnologias fundamentais necessárias para aumentar a escala da computação quântica”, diz ele.

De costa a costa e de volta

A primeira parada de Oliver no MIT foi como aluno de mestrado no Media Lab com o consultor Tod Machover. Seu projeto interativo Brain Opera uniu o amor de Oliver por música e computação. Oliver orquestrou as vozes dos usuários com uma "arpejo angélica de cordas e um coro" gerada por computador. O projeto foi instalado no museu Haus der Musik em Viena. “Foi um projeto de mestrado fantástico. Eu realmente adorei ”, diz Oliver. “Mas a questão era 'ok, o que eu faço a seguir?'”

Ansioso por um novo desafio, Oliver escolheu explorar pesquisas mais fundamentais. “Achei a mecânica quântica realmente intrigante e interessante”, diz Oliver. Então, ele viajou para a Universidade de Stanford para obter um PhD estudando óptica quântica usando elétrons livres. “Sinto-me muito feliz por poder fazer esses experimentos, que quase não têm aplicação prática, mas que me permitiram pensar muito profundamente sobre a mecânica quântica”, diz ele.

O timing de Oliver também foi bom. Ele estava se aprofundando na mecânica quântica exatamente quando o campo da computação quântica estava emergindo. Um computador clássico, como o que você está usando para ler esta história, armazena informações em bits binários, cada um dos quais contém um valor de 0 ou 1. Em contraste, um computador quântico armazena informações em qubits, cada um dos quais pode conter um 0, 1 ou qualquer combinação simultânea de 0 e 1, graças a um fenômeno de mecânica quântica chamado superposição. Isso significa que os computadores quânticos podem processar informações muito mais rápido do que os computadores clássicos, em alguns casos completando tarefas em minutos, enquanto um computador clássico levaria milênios - pelo menos em teoria. Quando Oliver estava concluindo seu PhD, a computação quântica era um campo em sua infância, mais ideia do que realidade. Mas Oliver percebeu o potencial da computação quântica,

O dilema qubit

Os computadores quânticos são frustrantemente inconsistentes. Isso ocorre em parte porque esses estados de superposição de qubit são frágeis. Em um processo chamado decoerência, os qubits podem errar e perder suas informações quânticas devido à menor perturbação ou defeito do material. Em 2003, Oliver assumiu um cargo no Lincoln Laboratory do MIT para ajudar a resolver problemas como a decoerência. Seu objetivo, com os colegas Terry Orlando, Leonya Levitov e Seth Lloyd, era desenvolver sistemas de computação quântica confiáveis ​​que pudessem ser ampliados para uso prático. “A computação quântica está passando da curiosidade científica para a realidade técnica”, diz Oliver. “Sabemos que funciona em pequena escala. E agora estamos tentando aumentar o tamanho dos sistemas para que possamos resolver problemas que sejam realmente significativos. ”

Mesmo os níveis de radiação de fundo podem desencadear a decoerência em meros milissegundos. Em um recente Natureza papel , Oliver e seus colegas, incluindo professor de física Joe Formaggio, descreveu este problema e propôs formas de qubits abrigo de danificar a radiação, como protegendo-os com chumbo.

Ele é rápido em enfatizar o papel da colaboração na solução desses desafios complexos. “A engenharia desses sistemas quânticos em máquinas úteis e de maior escala exigirá quase todos os departamentos do Instituto”, afirma Oliver. Em sua própria pesquisa, ele constrói qubits a partir de circuitos elétricos em alumínio que são super-resfriados a apenas um pouquinho mais quente que o zero absoluto. Nessa temperatura, o sistema perde resistência elétrica e pode ser usado como um oscilador anarmônico que armazena informações quânticas. Projetar um sistema tão intrincado para processar informações de forma confiável significa “precisamos trazer muitas pessoas com seus próprios talentos”, diz Oliver.

“Por exemplo, os cientistas de materiais terão muito a dizer sobre os materiais e os defeitos nas superfícies”, acrescenta. “Os engenheiros elétricos terão algo a dizer sobre como fabricar e controlar os qubits. Cientistas da computação e matemáticos aplicados terão algo a dizer sobre os algoritmos. Químicos e biólogos conhecem os problemas difíceis de resolver. E assim por diante." Quando ele ingressou no Lincoln Laboratory, Oliver diz que apenas dois funcionários da Lincoln estavam focados em tecnologias quânticas. Esse número agora ultrapassa 100.

Em 2015, Oliver fundou o grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) para se concentrar especificamente na tecnologia de qubit supercondutores. Ele também é Lincoln Laboratory Fellow, diretor do Center for Quantum Engineering do MIT e diretor associado do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica.

Um futuro quântico

Oliver prevê um papel cada vez maior para a computação quântica. O Google já demonstrou que, para uma tarefa específica, um computador quântico de 53 qubit pode ultrapassar em muito até mesmo o maior supercomputador do mundo, que possui quatrilhões de transistores. “Foi como o voo em Kitty Hawk”, diz Oliver. "Ele decolou."

No curto prazo, Oliver acredita que os computadores quânticos e clássicos podem funcionar como parceiros. A máquina clássica se agitaria através de um algoritmo, despachando cálculos específicos para o computador quântico executar antes que seus qubits descomponham. A longo prazo, Oliver diz que os códigos de correção de erros podem permitir que os computadores quânticos funcionem indefinidamente, mesmo que alguns componentes individuais continuem com defeito. “E é aí que os computadores quânticos serão basicamente universais”, diz Oliver. “Eles serão capazes de executar qualquer algoritmo quântico em grande escala.” Isso poderia permitir simulações amplamente aprimoradas de sistemas complexos em campos como biologia molecular, química quântica e climatologia.

Oliver continuará a empurrar a computação quântica em direção a essa realidade. “Há conquistas reais acontecendo”, diz ele. “Ao mesmo tempo, do lado teórico, existem problemas reais que poderíamos resolver se tivéssemos um computador quântico grande o suficiente.” Enquanto focado em sua missão de expandir a computação quântica, Oliver não perdeu sua paixão pela música. Embora, ele diga que raramente canta hoje em dia: “Só no chuveiro”.

 

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