Avanços na computação quântica: Qubits e cálculos transmitidos e um novo tipo de qubit

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/03/2021

A equipe enviou qubits entrelaçados através de um cabo de comunicação, estabelecendo as bases para futuras redes de comunicação quântica.
[Imagem: Cleland Lab]

Uma série de avanços para a computação quântica, anunciados simultaneamente, mostram que estamos cada vez mais próximos de uma internet quântica.

Por outro lado, progressos obtidos simultaneamente em várias frentes também tornam mais difícil prever qual será a plataforma de computação quântica que se afirmará como novo paradigma da computação no futuro.

Qubits compartilhados

Youpeng Zhong e colegas da Universidade de Chicago, nos EUA, enviaram qubits entrelaçados por meio de um cabo de comunicação que liga um nó de uma rede quântica a um segundo nó.

Para enviar os estados entrelaçados - ou emaranhados - através do cabo de comunicação - um cabo supercondutor de um metro de comprimento - os pesquisadores criaram uma configuração experimental com três qubits supercondutores em cada um dos dois nós.

Eles conectaram um qubit em cada nó ao cabo e então enviaram estados quânticos, na forma de fótons de micro-ondas, através do cabo com perda mínima de informação. A natureza frágil dos estados quânticos torna esse processo bastante difícil de ser executado.

O sistema também permitiu que eles "amplificassem" o entrelaçamento dos qubits. Os pesquisadores usaram um qubit em cada nó e os entrelaçaram, essencialmente enviando meio fóton através do cabo. Eles então estenderam esse entrelaçamento aos outros qubits em cada nó. Quando terminaram, todos os seis qubits nos dois nós estavam entrelaçados em um único estado global compartilhado.

No futuro, os computadores quânticos provavelmente serão construídos a partir de módulos onde a computação será feita por famílias de qubits. Esses computadores poderiam, em última análise, ser construídos a partir de muitos desses módulos em rede, semelhantes à forma como os supercomputadores hoje conduzem computação paralela em muitas unidades centrais de processamento conectadas umas às outras.

A capacidade de entrelaçar qubits remotamente em diferentes módulos, ou nós, é um avanço significativo para permitir essas abordagens modulares na computação quântica.

Esta imagem mostra os dois módulos de qubit (átomo vermelho entre dois espelhos azuis) que foram interconectados para implementar uma computação quântica básica (representada como um símbolo azul claro) a uma distância de 60 metros. Os módulos estão em diferentes laboratórios do mesmo prédio e são conectados por uma fibra óptica.
[Imagem: Stephan Welte/Severin Daiss (MPQ)]

Computação quântica distribuída

Severin Daiss e colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, interconectaram dois qubits localizados em laboratórios diferentes a um computador quântico distribuído, ligando os qubits usando uma fibra óptica de 60 metros de comprimento.

Mas eles foram além: Mesmo nessa distância, os dois qubits foram usados para construir uma porta lógica quântica - o bloco básico de cálculo de um computador quântico.

Isso torna o sistema o primeiro protótipo mundial de um computador quântico distribuído, comprovando a possibilidade de mesclar computadores quânticos menores em uma unidade de processamento conjunta.

"Através desta distância, realizamos uma operação de computação quântica entre duas configurações de qubit independentes em laboratórios diferentes," enfatiza Daiss.

Enquanto o desempenho dos computadores eletrônicos binários resulta de grandes memórias e ciclos de computação rápidos, o sucesso do computador quântico repousa no fato de que uma única unidade de memória - o bit quântico - pode conter superposições de diferentes valores possíveis ao mesmo tempo.

Portanto, um computador quântico não apenas calcula um resultado de cada vez, mas também muitos resultados possíveis em paralelo. Quanto mais qubits estiverem interconectados em um computador quântico, mais complexos serão os cálculos que ele será capaz de realizar.

Impressão artística dos qubits com átomos de Rydberg. O qubit no centro controla o estado dos qubits vizinhos por meio de interações de longa distância.
[Imagem: Celina Brandes/University of Stuttgart]

Computador quântico Rydberg

Uma equipe da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, conseguiu agrupar átomos de Rydberg em uma armadilha de luz bidimensional e usá-los como qubits para realizar operações lógicas quânticas.

Os átomos de Rydberg são uma plataforma muito promissora para a computação quântica porque eles são mil vezes maiores do que os átomos normais e podem "sentir" uns aos outros a uma distância de até cinco micrômetros, devido ao seu elétron fracamente ligado.

"Para os átomos, esta é uma distância gigantesca," explica o professor Florian Meinert. Além disso, a excitação desses átomos é particularmente "coerente", isto é, controlada e livre de perturbações.

"Estamos confiantes de que podemos melhorar o desempenho por ordens de magnitude, o que será necessário para configurar um computador quântico Rydberg funcional," acrescentou Meinert.

E estão confiantes mesmo: O objetivo da equipe é apresentar um demonstrador de computador quântico Rydberg, junto com um parceiro industrial, até 2025.

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