Tecnologia Científica

Portões quânticos ópticos mais eficientes
Espera-se que os futuros computadores quânticos não apenas resolvam tarefas de computação particularmente complicadas, mas também estejam conectados a uma rede para a troca segura de dados. Em princípio, portas quânticas podem...
Por Max Planck Society - 13/05/2022


Foto da câmara de vácuo. Através da janela para a câmara de vácuo no centro da imagem, pode-se ver o suporte para os espelhos do ressonador. Entre os espelhos, átomos ultrafrios geram a interação entre os fótons. Crédito: Sociedade Max Planck

Espera-se que os futuros computadores quânticos não apenas resolvam tarefas de computação particularmente complicadas, mas também estejam conectados a uma rede para a troca segura de dados. Em princípio, portas quânticas podem ser usadas para esses propósitos. Mas até agora, não foi possível realizá-los com eficiência suficiente. Por uma combinação sofisticada de várias técnicas, pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) deram agora um grande passo para superar esse obstáculo.

Por décadas, os computadores ficaram mais rápidos e mais poderosos a cada nova geração . Este desenvolvimento permite abrir constantemente novas aplicações, por exemplo em sistemas com inteligência artificial. Mas o progresso está se tornando cada vez mais difícil de alcançar com a tecnologia de computador estabelecida. Por esse motivo, os pesquisadores agora estão de olho em conceitos alternativos e completamente novos que podem ser usados ​​no futuro para algumas tarefas de computação particularmente difíceis. Esses conceitos incluem computadores quânticos.

Sua função não é baseada na combinação de zeros e uns digitais – os bits clássicos – como é o caso dos computadores microeletrônicos convencionais. Em vez disso, um computador quântico usa bits quânticos , ou qubits, como unidades básicas para codificação e processamento de informações. Eles são as contrapartes dos bits no mundo quântico - mas diferem deles em uma característica crucial: os qubits podem não apenas assumir dois valores ou estados fixos, como zero ou um, mas também quaisquer valores intermediários. Em princípio, isso oferece a possibilidade de realizar vários processos de computação simultaneamente, em vez de processar uma operação lógica após a outra.

Comunicação à prova de toque com qubits ópticos

“Existem várias maneiras de implementar fisicamente o conceito de qubits”, diz Thomas Stolz, que vem realizando pesquisas sobre os fundamentos dos computadores quânticos no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching. "Um deles são os fótons ópticos." E em sua pesquisa, Stolz e seus colegas da equipe liderada pelo Dr. Stephan Dürr e o diretor do MPQ Prof. Dr. Gerhard Rempe também confiaram em tais partículas de luz da faixa espectral visível. “Uma vantagem dos fótons como portadores de informação em um computador quântico é sua baixa interação entre si e com o ambiente”, explica Stolz. "Isso evita que a coerência, necessária para a existência de qubits, seja rapidamente destruída por distúrbios externos." Além disso, os fótons podem ser transportados por longas distâncias, por exemplo, em uma fibra óptica. "Isso os torna um candidato particularmente promissor para a construção de redes quânticas", diz Stolz: conexões de vários computadores quânticos sobre os quais dados criptografados podem ser transmitidos incondicionalmente com segurança - e protegidos de forma confiável contra tentativas de espionagem.
 
Os componentes básicos de um computador quântico – e, portanto, também de uma rede quântica – são portões quânticos. Eles correspondem em seu modo de operação às portas lógicas usados ​​em máquinas de computação convencionais, mas são adaptados às propriedades especiais dos qubits. "As portas quânticas para qubits implementadas em íons aprisionados ou materiais supercondutores são atualmente as mais avançadas tecnicamente", explica Stephan Dürr. "No entanto, realizar tal elemento com fótons é muito mais desafiador." Porque neste caso, a vantagem das interações fracas se transforma em uma desvantagem tangível. Pois, para poder processar informações, as partículas de luz devem ser capazes de influenciar umas às outras. Os pesquisadores do MPQ mostraram como isso pode ser efetivamente alcançado em um artigo, que agora foi publicado na revista de acesso aberto Physical Review X .

Tentativas anteriores de realizar portões quânticos que ligam dois fótons um ao outro foram apenas parcialmente bem-sucedidas. Eles sofreram principalmente com sua baixa eficiência de, na melhor das hipóteses, 11%. Isso significa que uma grande fração das partículas de luz e, portanto, também dos dados, são perdidas enquanto são processadas no sistema quântico – uma deficiência especialmente quando vários portões quânticos devem ser conectados consecutivamente em uma rede quântica e as perdas somam como um resultado. "Em contraste, conseguimos pela primeira vez realizar um portão óptico de dois qubits com uma eficiência média de mais de 40%", relata Stephan Dürr - quase quatro vezes o recorde anterior.

Átomos ultrafrios em um ressonador

"A própria base para este sucesso foi o uso de componentes não lineares", explica Stolz. Eles estão contidos em uma nova plataforma experimental que a equipe do MPQ desenvolveu especificamente para o experimento e instalou no laboratório. Ao fazer isso, os pesquisadores puderam aproveitar sua experiência de trabalhos anteriores publicados em 2016 e 2019. Uma descoberta foi que é útil para o processamento de informações com fótons usar um gás atômico frio no qual alguns átomos são altamente excitados energeticamente. "Os átomos mediam a interação necessária entre os fótons", explica Stolz. "No entanto, trabalhos anteriores também mostraram que a densidade dos átomos não deve ser muito alta, caso contrário a informação codificada é rapidamente apagada por colisões entre os átomos." Portanto, os pesquisadores agora usaram um gás atômico de baixa densidade, que eles resfriaram a uma temperatura de 0,5 microkelvin – meio milionésimo de grau acima do zero absoluto a menos 273,15 graus Celsius. "Como amplificador adicional para a interação entre os fótons, colocamos o átomos ultrafrios entre os espelhos de um ressonador óptico", relata Stolz.

Isso levou ao sucesso do experimento, no qual o portão quântico processou os qubits ópticos em duas etapas: Um primeiro fóton, chamado fóton de controle, foi introduzido no ressonador e armazenado lá. Então, um segundo fóton, chamado fóton alvo, entrou na configuração e foi refletido pelos espelhos ressonadores - "o momento em que a interação ocorreu", enfatiza Stolz. Finalmente, ambos os fótons deixaram o portão quântico – juntamente com as informações impressas neles. Para que isso funcionasse, os físicos usaram outro truque. Isso é baseado em excitações de elétrons dos átomos de gás para níveis de energia muito altos, chamados estados de Rydberg. "Isso faz com que o átomo excitado - na imagem clássica - se expanda imensamente", explica Stolz. Atinge um raio de até um micrômetro - vários milhares de vezes o tamanho normal do átomo. Os átomos no ressonador que são inflados dessa maneira tornam possível que os fótons tenham um efeito suficientemente forte um sobre o outro. Isso, no entanto, inicialmente causa apenas uma mudança de fase. Além disso, a luz é dividida em diferentes caminhos que são posteriormente sobrepostos. Somente a interferência da mecânica quântica durante essa superposição transforma a mudança de fase em uma porta quântica.

O objetivo: sistemas quânticos escaláveis

O experimento foi precedido por uma elaborada análise teórica. A equipe do MPQ desenvolveu especialmente um modelo teórico abrangente para otimizar o processo de design da nova plataforma de pesquisa. Outras investigações teóricas mostram maneiras pelas quais os pesquisadores esperam melhorar a eficiência de seu portão quântico óptico no futuro. Eles também querem descobrir como o portão quântico pode ser ampliado para sistemas maiores – processando vários qubits simultaneamente. "Nossos experimentos até agora já mostraram que isso é possível em princípio", diz Gerhard Rempe, diretor do grupo. Ele está convencido: “Nossas novas descobertas serão de grande utilidade no desenvolvimento de computadores quânticos baseados em luz e redes quânticas”.

 

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