Fenômeno descoberto no século 19 leva computação quântica a uma nova dimensão

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/08/2023

O efeito Talbot forma padrões periódicos de luz laser. Qubits de átomo único podem ser armazenados e processados nos pontos de alta intensidade (vermelho).
[Imagem: TU Darmstadt/APQ]

Rede de luz para qubits

Um efeito óptico descoberto em 1836 por um dos pioneiros da fotografia (William Talbot [1800-1877]), está permitindo superar um dos maiores obstáculos à construção de um computador quântico com relevância prática.

Para a maioria das plataformas, o elemento crucial para um computador quântico prático está no aumento do número dos qubits, que devem saltar das dezenas ou centenas atuais para as centenas de milhares e milhões.

Malte Schlosser e colegas da Universidade Técnica Darmstadt, na Alemanha, descobriram agora como tirar proveito do Efeito Talbot para aumentar o número de qubits de algumas centenas para mais de 10.000 sem exigir um aumento proporcional dos recursos para fazer o computador funcionar, o que tem sido um fator impeditivo para a ampliação dos computadores quânticos atuais.

A arquitetura aprimorada pela equipe é baseada em qubits atômicos, na qual átomos individuais são presos e controlados por uma matriz de raios laser, cuja ilustração lembra uma caixa de ovos - em vez de um ovo, cada posição na matriz, formada quando os feixes de laser se cruzam, contém um átomo que funciona como qubit.

O problema está na ampliação dessa "rede óptica" para aumentar o número de qubits, o que exige também aumentar a saída do laser de maneira proporcional, além de montar uma parafernália de lentes e espelhos que é inviável. É aí que entra o efeito difrativo longamente conhecido, mas que nunca havia sido explorado no campo da computação quântica.

O efeito gera uma multiplicação da "malha de luz".
[Imagem: Cortesia Fort et al. - 10.1007/s00348-019-2870-7]

Efeito Talbot

O Efeito Talbot ocorre quando a onda plana de uma fonte de luz coerente incide sobre uma grade de difração periódica: Imagens dessa grade surgem a distâncias também periódicas, chamadas de distâncias de Talbot. As imagens repetidas são chamadas autoimagens ou imagens Talbot.

Os pesquisadores apontaram um laser para um elemento de vidro, do tamanho de uma unha, no qual minúsculas lentes ópticas são dispostas de forma semelhante a um tabuleiro de xadrez. Cada microlente agrupa uma pequena parte do feixe de laser, criando assim um plano de pontos focais, que pode conter os átomos que funcionam como qubits.

O efeito Talbot então emerge no topo da estrutura, com a camada de pontos focais repetindo-se várias vezes em intervalos iguais, criando inúmeras autoimagens. Portanto, uma rede óptica em 2D torna-se uma rede em 3D, com muitas vezes os pontos de luz iniciais, sem precisar aumentar a potência do laser. "Conseguimos isso de graça," disse Malte Schlosser, principal autor do trabalho.

Já existem redes ópticas 3D há muito tempo, tipicamente criadas cruzando seis feixes de laser, que geram um padrão de interferência em 3D que prende os átomos nos pontos de alta ou baixa intensidade de luz. É uma boa alternativa às pinças ópticas, mas o espaçamento entre os átomos é fixado pelo comprimento de onda da luz, o que pode limitar o controle sobre o comportamento dos átomos. O Efeito Talbot elimina esse inconveniente.

Na configuração da equipe, um feixe de laser atinge um conjunto de microlentes à esquerda. Os elementos ópticos concentram a luz de saída em padrões 2D repetidos de pontos.
[Imagem: Malte Schlosser et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.180601]

Outros usos

A alta precisão de fabricação das microlentes permitiu gerar autoimagens muito regularmente organizadas, perfeitamente adequadas para conter os qubits.

Os pesquisadores já demonstraram isso carregando algumas camadas adicionais com átomos individuais. Com a saída de laser usada neste primeiro experimento, foram criadas 16 camadas livres, o que potencialmente permite montar mais de 10.000 qubits. Segundo a equipe, com os lasers disponíveis já seria possível quadruplicar essa potência.

"O campo das microlentes também pode ser otimizado ainda mais, criando mais pontos focais com lentes menores," explicou o professor Gerhard Birkl. "Portanto, 100.000 qubits ou mais serão possíveis em um futuro próximo."

Ao mesmo tempo, o professor Schlosser chama a atenção para o fato de que esta tecnologia não se limita aos computadores quânticos: "Nossa plataforma também pode ser potencialmente aplicável a relógios atômicos ópticos de alta precisão".

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