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Buraco negro ajuda a salvar dados dos computadores quânticos

Buraco negro quântico ajuda a salvar dados dos computadores quânticos
O material dotado da "barreira anti-entropia" ainda não existe, mas os cálculos da equipe poderão guiar os engenheiros em sua sintetização.[Imagem: Pramod Padmanabhan et al. - 10.1007/JHEP05(2017)136)]

Computação quântica duradoura

Há poucos dias, pesquisadores italianos demonstraram que o Princípio de Landauer pode não ser tão restritivo quanto se pensava, abrindo caminho para uma computação sem consumo de energia.

Ocorre que a conservação da informação talvez seja um dos maiores desafios para o desenvolvimento da computação quântica. Isso porque, como Rolf Landauer (1927-1999) estabeleceu no início dos anos 1960, existe uma conexão entre a informação e o calor. O processamento de dados produz energia térmica e, como consequência, a informação é corrompida, não podendo ser armazenada para sempre - nem mesmo por um tempo suficientemente longo para facilitar as coisas para os processadores quânticos.

Além do recente trabalho italiano, agora uma equipe formada por dois físicos coreanos e dois brasileiros usou uma teoria sem qualquer vinculação aparente com computação e entropia para mostrar que, ao contrário do estabelecido por Landauer, sistemas quânticos podem reter informações por muito mais tempo do que se calculava.

Embora seja uma demonstração feita com um aparato matemático altamente abstrato, o modelo oferece ideias que podem servir como paradigma a partir dos quais os engenheiros envolvidos na construção dos computadores quânticos possam obter melhores resultados.

Buraco negro quântico

"Esse estudo é um exemplo de como ideias originadas em áreas completamente diferentes podem transcender seu âmbito inicial e oferecer perspectivas de aplicações imprevistas," contou o professor Diego Trancanelli, do Instituto de Física da USP, detalhando que o estudo envolvia a supersimetria nas fases da matéria e a construção de modelos para tentar entender a gravitação quântica. "O desenvolvimento do trabalho nos levou muito longe do ponto de partida," acrescentou.

Buraco negro quântico ajuda a salvar dados dos computadores quânticos
A equipe buscava uma solução para a gravidade quântica, mas tropeçou em uma saída para a computação quântica. [Imagem: Ambjorn/Jurkiewicz/Loll]

O objetivo inicial era construir um modelo simplificado que funcionasse como um análogo de um buraco negro, mas não dos buracos negros astrofísicos, produzidos pelo colapso gravitacional de estrelas de grande massa, e, sim, dos buracos negros quânticos, que são objetos muito pequenos, para os quais se busca estabelecer uma teoria da gravitação quântica.

"Uma das características atribuídas aos buracos negros quânticos é a de serem caóticos. Qualquer informação aportada a eles seria 'esquecida' em pouquíssimo tempo. Em toda a natureza, eles seriam os que fariam isso da maneira mais rápida.

"No entanto, quando construímos o modelo simplificado, verificamos que os vínculos impostos pela supersimetria são tão fortes que, de fato, o que acontece é exatamente o contrário. Em vez de caos, o que ocorre é uma ordem na qual as informações não são destruídas e desperdiçadas, mas conservadas. Encontramos o oposto daquilo que procurávamos: um sistema que consegue preservar informação de maneira muito eficiente," explicou Diego.

Essa é uma das propriedades almejadas na construção dos componentes de um futuro computador quântico porque, neles, a preservação da informação - anular a chamada "decoerência" do qubits -, é uma necessidade fundamental para se obter processadores práticos.

Supersimetria

O trabalho usou como base a supersimetria, uma estrutura matemática proposta pelos físicos teóricos, ainda não observada experimentalmente. De forma muito resumida, a ideia básica é a de que, para cada partícula dita elementar, exista um parceiro supersimétrico, igual em energia, mas diferente pela estatística.

Buraco negro quântico ajuda a salvar dados dos computadores quânticos
A supersimetria contesta alguns pressupostos da teoria atual, como a de que o elétron é redondo. [Imagem: Fermilab]

"A supersimetria é útil porque torna as teorias muito mais simples. É fácil entender isso por meio de uma analogia. Vamos comparar dois corpos geométricos: a esfera e o cubo. Ambos apresentam simetria, mas a esfera é mais simétrica. A visão que temos da esfera não depende do ângulo olhado, porque ela é simétrica em todas as direções. Já a visão que temos do cubo depende do ângulo a partir do qual o vemos.

"Então, quanto mais simétrico é um sistema, mais simples é a teoria necessária para descrevê-lo. No caso de alguns sistemas quânticos, como o que estudamos, a supersimetria vincula tanto a teoria que a deixa resolúvel. É possível calcular com papel e lápis, sem a necessidade de simulações numéricas e pesados recursos computacionais. Foi assim que fizemos todos os nossos cálculos," explicaram os pesquisadores.

Material para computação quântica

Usando os princípios matemáticos da supersimetria, a equipe idealizou um material hipotético dotado de uma espécie de "barreira", capaz de retardar a perda de informação. Essa "barreira" é constituída pelo fato de os elétrons ocuparem os patamares de mínima energia na estrutura do material e não terem patamares superiores disponíveis. Com isso, a troca de energia entre o sistema e o meio é minimizada.

No final, a entropia sempre vence, e a informação é "desconfigurada". Mas o tempo de retenção da informação torna-se exponencialmente mais longo do que o verificado nos componentes de memória atuais, baseados em substratos de silício.

Embora tal material ainda não exista, a ideia pode guiar os tecnólogos e engenheiros em sua sintetização ou na descoberta desse comportamento em materiais já existentes.

Bibliografia:

Supersymmetric many-body systems from partial symmetries - integrability, localization and scrambling
Pramod Padmanabhan, Soo-Jong Rey, Daniel Teixeira, Diego Trancanelli
Journal of High Energy Physics
Vol.: 2017: 136
DOI: 10.1007/JHEP05(2017)136)




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