Uma equipe de fa­sicos do Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e de outras universidades desenvolveu um tipo especial de computador qua¢ntico conhecido como simulador qua¢ntico programa¡vel capaz de operar com 256 bits qua¢nticos, ou "qubits".

O sistema marca um passo importante para a construção de ma¡quinas qua¢nticas em grande escala que podem ser usadas para lana§ar luz sobre uma sanãrie de processos qua¢nticos complexos e, eventualmente, ajudar a trazer avanços do mundo real na ciência dos materiais , tecnologias de comunicação , finana§as e muitos outros campos, superar obsta¡culos de pesquisa que estãoalém das capacidades atémesmo dos supercomputadores mais rápidos da atualidade. Qubits são os blocos de construção fundamentais nos quais os computadores qua¢nticos funcionam e a fonte de seu enorme poder de processamento.

"Isso move o campo para um novo doma­nio onde ninguanãm jamais esteve atéagora", disse Mikhail Lukin, o professor de física George Vasmer Leverett, codiretor da Harvard Quantum Initiative e um dos autores saªnior do estudo publicado hoje na revista Nature . "Estamos entrando em uma parte completamente nova do mundo qua¢ntico."

De acordo com Sepehr Ebadi, estudante de física na Escola de Pa³s-Graduação em Artes e Ciências e principal autor do estudo, éa combinação do tamanho sem precedentes do sistema e da capacidade de programação que o coloca na vanguarda da corrida por um computador qua¢ntico, que aproveita o propriedades misteriosas da matéria em escalas extremamente pequenas para um grande avanço no poder de processamento. Sob as circunsta¢ncias certas, o aumento nos qubits significa que o sistema pode armazenar e processar exponencialmente mais informações do que os bits cla¡ssicos nos quais os computadores padrãosão executados.

"O número de estados qua¢nticos que são possa­veis com apenas 256 qubits excede o número de a¡tomos no sistema solar", disse Ebadi, explicando o vasto tamanho do sistema.

O simulador já permitiu aos pesquisadores observar vários estados qua¢nticos exa³ticos da matéria que nunca haviam sido realizados experimentalmente e realizar um estudo de transição de fase qua¢ntica tão preciso que serve como um exemplo cla¡ssico de como o magnetismo funciona nonívelqua¢ntico.

Esses experimentos fornecem informações poderosas sobre a física qua¢ntica subjacente a s propriedades dos materiais e podem ajudar a mostrar aos cientistas como projetar novos materiais com propriedades exa³ticas.

O projeto usa uma versão significativamente atualizada de uma plataforma desenvolvida pelos pesquisadores em 2017, que era capaz de atingir o tamanho de 51 qubits. Esse sistema mais antigo permitiu aos pesquisadores capturar a¡tomos de ruba­dio ultrafrios e organiza¡-los em uma ordem especa­fica usando uma matriz unidimensional de feixes de laser focalizados individualmente, chamados de pina§as a³pticas .

Este novo sistema permite que os a¡tomos sejam montados em arranjos bidimensionais de pina§as a³pticas. Isso aumenta o tamanho do sistema alcana§a¡vel de 51 para 256 qubits. Usando a pina§a, os pesquisadores podem organizar os a¡tomos em padraµes sem defeitos e criar formas programa¡veis ​​como reta­culos quadrados, em favo de mel ou triangulares para projetar diferentes interações entre os qubits.

"O carro-chefe desta nova plataforma éum dispositivo chamado modulador de luz espacial, que éusado para moldar uma frente de onda a³ptica para produzir centenas de feixes de pina§a a³pticos focalizados individualmente", disse Ebadi. "Esses dispositivos são essencialmente os mesmos que são usados ​​dentro de um projetor de computador para exibir imagens em uma tela, mas nosos adaptamos para serem um componente crítico de nosso simulador qua¢ntico."

O carregamento inicial dos a¡tomos nas pina§as a³pticas éaleata³rio, e os pesquisadores devem mover os a¡tomos para organiza¡-los em suas geometrias-alvo. Os pesquisadores usam um segundo conjunto de pina§as a³pticas ma³veis para arrastar os a¡tomos atéseus locais desejados, eliminando a aleatoriedade inicial. Lasers da£o aos pesquisadores controle completo sobre o posicionamento dos qubits ata´micos e sua manipulação qua¢ntica coerente.

Outros autores seniores do estudo incluem os professores de Harvard Subir Sachdev e Markus Greiner, que trabalharam no projeto junto com o professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts Vladan Vuletić, e cientistas de Stanford, da Universidade da Califórnia em Berkeley, da Universidade de Innsbruck na austria, o austra­aco Academy of Sciences e QuEra Computing Inc. em Boston.

"Nosso trabalho faz parte de uma corrida global realmente intensa e de alta visibilidade para construir computadores qua¢nticos maiores e melhores", disse Tout Wang, pesquisador associado em física em Harvard e um dos autores do artigo. "O esfora§o geral [além do nosso] envolve as principais instituições de pesquisa acadaªmica e grandes investimentos do setor privado do Google, IBM, Amazon e muitos outros."

Os pesquisadores estãoatualmente trabalhando para melhorar o sistema, melhorando o controle do laser sobre os qubits e tornando o sistema mais programa¡vel. Eles também estãoexplorando ativamente como o sistema pode ser usado para novas aplicações, que va£o desde a sondagem de formas exa³ticas de matéria qua¢ntica atéa solução de problemas desafiadores do mundo real que podem ser codificados naturalmente nos qubits.

"Este trabalho permite um grande número de novas direções cienta­ficas", disse Ebadi. "Nãoestamos nem perto dos limites do que pode ser feito com esses sistemas."