Espera-se que os futuros computadores qua¢nticos não apenas resolvam tarefas de computação particularmente complicadas, mas também estejam conectados a uma rede para a troca segura de dados. Em princa­pio, portas qua¢nticas podem ser usadas para esses propósitos. Mas atéagora, não foi possí­vel realiza¡-los com eficiência suficiente. Por uma combinação sofisticada de várias técnicas, pesquisadores do Instituto Max Planck de a“ptica Qua¢ntica (MPQ) deram agora um grande passo para superar esse obsta¡culo.

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 inteligaªncia artificial. Mas o progresso estãose tornando cada vez mais difa­cil de alcana§ar com a tecnologia de computador estabelecida. Por esse motivo, os pesquisadores agora estãode olho em conceitos alternativos e completamente novos que podem ser usados ​​no futuro para algumas tarefas de computação particularmente difa­ceis. Esses conceitos incluem computadores qua¢nticos.

Sua função não ébaseada na combinação de zeros e uns digitais osos bits cla¡ssicos oscomo éo caso dos computadores microeletra´nicos convencionais. Em vez disso, um computador qua¢ntico usa bits qua¢nticos , ou qubits, como unidades ba¡sicas para codificação e processamento de informações. Eles são as contrapartes dos bits no mundo qua¢ntico - 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 princa­pio, isso oferece a possibilidade de realizar vários processos de computação simultaneamente, em vez de processar uma operação lógica após a outra.

“Existem várias maneiras de implementar fisicamente o conceito de qubits”, diz Thomas Stolz, que vem realizando pesquisas sobre os fundamentos dos computadores qua¢nticos no Instituto Max Planck de a“ptica Qua¢ntica (MPQ) em Garching. "Um deles são os fa³tons a³pticos." E em sua pesquisa, Stolz e seus colegas da equipe liderada pelo Dr. Stephan Da¼rr e o diretor do MPQ Prof. Dr. Gerhard Rempe também confiaram em taispartículas de luz da faixa espectral visível. “Uma vantagem dos fa³tons como portadores de informação em um computador qua¢ntico ésua baixa interação entre si e com o ambiente”, explica Stolz. "Isso evita que a coeraªncia, necessa¡ria para a existaªncia de qubits, seja rapidamente destrua­da por distúrbios externos." Além disso, os fa³tons podem ser transportados por longas distâncias, por exemplo, em uma fibra a³ptica. "Isso os torna um candidato particularmente promissor para a construção de redes qua¢nticas", diz Stolz: conexões de vários computadores qua¢nticos sobre os quais dados criptografados podem ser transmitidos incondicionalmente com segurança - e protegidos de forma confia¡vel contra tentativas de espionagem.

Os componentes ba¡sicos de um computador qua¢ntico ose, portanto, também de uma rede qua¢ntica ossão portaµes qua¢nticos. Eles correspondem em seu modo de operação a s portas lógicas usados ​​em ma¡quinas de computação convencionais, mas são adaptados a s propriedades especiais dos qubits. "As portas qua¢nticas para qubits implementadas em a­ons aprisionados ou materiais supercondutores são atualmente as mais avana§adas tecnicamente", explica Stephan Da¼rr. "No entanto, realizar tal elemento com fa³tons émuito mais desafiador." Porque neste caso, a vantagem das interações fracas se transforma em uma desvantagem tanga­vel. Pois, para poder processar informações, aspartículas de luz devem ser capazes de influenciar umas a s outras. Os pesquisadores do MPQ mostraram como isso pode ser efetivamente alcana§ado em um artigo, que agora foi publicado na revista de acesso aberto Physical Review X .

Tentativas anteriores de realizar portaµes qua¢nticos que ligam dois fa³tons um ao outro foram apenas parcialmente bem-sucedidas. Eles sofreram principalmente com sua baixa eficiência de, na melhor das hipa³teses, 11%. Isso significa que uma grande fração daspartículas de luz e, portanto, também dos dados, são perdidas enquanto são processadas no sistema qua¢ntico osuma deficiência especialmente quando vários portaµes qua¢nticos devem ser conectados consecutivamente em uma rede qua¢ntica e as perdas somam como um resultado. "Em contraste, conseguimos pela primeira vez realizar um portão a³ptico de dois qubits com uma eficiência média de mais de 40%", relata Stephan Da¼rr - quase quatro vezes o recorde anterior.

"A própria base para este sucesso foi o uso de componentes não lineares", explica Stolz. Eles estãocontidos 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 éútil para o processamento de informações com fa³tons usar um gás ata´mico frio no qual alguns a¡tomos são altamente excitados energeticamente. "Os a¡tomos mediam a interação necessa¡ria entre os fa³tons", explica Stolz. "No entanto, trabalhos anteriores também mostraram que a densidade dos a¡tomos não deve ser muito alta, caso contra¡rio a informação codificada érapidamente apagada por colisaµes entre os a¡tomos." Portanto, os pesquisadores agora usaram um gás ata´mico de baixa densidade, que eles resfriaram a uma temperatura de 0,5 microkelvin osmeio milionanãsimo de grau acima do zero absoluto a menos 273,15 graus Celsius. "Como amplificador adicional para a interação entre os fa³tons, colocamos o a¡tomos ultrafrios entre os espelhos de um ressonador a³ptico", relata Stolz.

Isso levou ao sucesso do experimento, no qual o portão qua¢ntico processou os qubits a³pticos em duas etapas: Um primeiro fa³ton, chamado fa³ton de controle, foi introduzido no ressonador e armazenado la¡. Então, um segundo fa³ton, chamado fa³ton alvo, entrou na configuração e foi refletido pelos espelhos ressonadores - "o momento em que a interação ocorreu", enfatiza Stolz. Finalmente, ambos os fa³tons deixaram o portão qua¢ntico osjuntamente com as informações impressas neles. Para que isso funcionasse, os fa­sicos usaram outro truque. Isso ébaseado em excitações de elanãtrons dos a¡tomos de gás para na­veis de energia muito altos, chamados estados de Rydberg. "Isso faz com que o a¡tomo excitado - na imagem cla¡ssica - se expanda imensamente", explica Stolz. Atinge um raio de atéum micra´metro - vários milhares de vezes o tamanho normal do a¡tomo. Os a¡tomos no ressonador que são inflados dessa maneira tornam possí­vel que os fa³tons tenham um efeito suficientemente forte um sobre o outro. Isso, no entanto, inicialmente causa apenas uma mudança de fase. Além disso, a luz édividida em diferentes caminhos que são posteriormente sobrepostos. Somente a interferaªncia da meca¢nica qua¢ntica durante essa superposição transforma a mudança de fase em uma porta qua¢ntica.

O experimento foi precedido por uma elaborada análise tea³rica. A equipe do MPQ desenvolveu especialmente um modelo tea³rico abrangente para otimizar o processo de design da nova plataforma de pesquisa. Outras investigações tea³ricas mostram maneiras pelas quais os pesquisadores esperam melhorar a eficiência de seu portão qua¢ntico a³ptico no futuro. Eles também querem descobrir como o portão qua¢ntico pode ser ampliado para sistemas maiores osprocessando vários qubits simultaneamente. "Nossos experimentos atéagora já mostraram que isso épossí­vel em princa­pio", diz Gerhard Rempe, diretor do grupo. Ele estãoconvencido: “Nossas novas descobertas sera£o de grande utilidade no desenvolvimento de computadores qua¢nticos baseados em luz e redes qua¢nticas”.