Uma equipe de pesquisadores do Reino Unido e da Rússia demonstrou com sucesso que um tipo de 'pó mágico' que combina luz e matéria pode ser usado para resolver problemas complexos e pode, eventualmente, superar as capacidades até mesmo dos supercomputadores mais poderosos.
Os pesquisadores, de Cambridge, As universidades de Southampton e Cardiff no Reino Unido e o Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo na Rússia, usaram partículas quânticas conhecidas como polaritons - que são metade luz e metade matéria - para atuar como uma espécie de 'farol', mostrando o caminho para a solução mais simples para problemas complexos. Este design totalmente novo pode formar a base de um novo tipo de computador que pode resolver problemas que atualmente não têm solução, em diversos campos, como biologia, finanças ou viagens espaciais. Os resultados são relatados no jornal Materiais da Natureza .
Nosso progresso tecnológico - da modelagem de dobra de proteínas e comportamento dos mercados financeiros ao desenvolvimento de novos materiais e envio de missões totalmente automatizadas ao espaço profundo - depende de nossa capacidade de encontrar a solução ideal de uma formulação matemática de um problema:o número mínimo absoluto de etapas que é preciso resolver esse problema.
A busca por uma solução ótima é análoga a procurar o ponto mais baixo em um terreno montanhoso com muitos vales, trincheiras, e gotas. Um caminhante pode descer a ladeira e pensar que atingiu o ponto mais baixo de toda a paisagem, mas pode haver uma queda mais profunda logo atrás da próxima montanha. Essa busca pode parecer assustadora em terreno natural, mas imagine sua complexidade no espaço de alta dimensão. "Este é exatamente o problema a ser enfrentado quando a função objetivo a ser minimizada representa um problema da vida real com muitas incógnitas, parâmetros, e restrições, "disse a professora Natalia Berloff, do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge e do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia, e o primeiro autor do artigo.
Supercomputadores modernos só podem lidar com um pequeno subconjunto de tais problemas quando a dimensão da função a ser minimizada é pequena ou quando a estrutura subjacente do problema permite encontrar a solução ótima rapidamente, mesmo para uma função de grande dimensionalidade. Mesmo um computador quântico hipotético, se realizado, oferece, na melhor das hipóteses, a aceleração quadrática para a busca de "força bruta" pelo mínimo global.
Berloff e seus colegas abordaram o problema de um ângulo inesperado:e se, em vez de se mover ao longo do terreno montanhoso em busca do ponto mais baixo, enche-se a paisagem com uma poeira mágica que só brilha no nível mais profundo, tornando-se um marcador facilmente detectável da solução?
"Há alguns anos nossa proposta puramente teórica sobre como fazer isso foi rejeitada por três revistas científicas, "disse Berloff." Um árbitro disse, 'Quem seria louco o suficiente para tentar implementar isso ?!' Então, tivemos que fazer isso sozinhos, e agora provamos nossa proposta com dados experimentais. "
Seus polaritons de 'pó mágico' são criados por meio de um laser brilhando em camadas empilhadas de átomos selecionados, como o gálio, arsênico, índio, e alumínio. Os elétrons nessas camadas absorvem e emitem luz de uma cor específica. Os polaritons são dez mil vezes mais leves que os elétrons e podem atingir densidades suficientes para formar um novo estado da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein, onde as fases quânticas dos polaritons sincronizam e criam um único objeto quântico macroscópico que pode ser detectado por meio de medições de fotoluminescência.
A próxima questão que os pesquisadores tiveram de abordar foi como criar uma paisagem potencial que corresponda à função a ser minimizada e forçar os polaritons a condensarem em seu ponto mais baixo. Para fazer isso, o grupo se concentrou em um tipo específico de problema de otimização, mas um tipo que é geral o suficiente para que qualquer outro problema difícil possa estar relacionado a ele, nomeadamente a minimização do modelo XY que é um dos modelos mais fundamentais da mecânica estatística. Os autores mostraram que podem criar polaritons em vértices de um gráfico arbitrário:conforme os polaritons condensam, as fases quânticas dos polaritons se organizam em uma configuração que corresponde ao mínimo absoluto da função objetivo.
"Estamos apenas começando a explorar o potencial dos gráficos polariton para resolver problemas complexos, "disse o co-autor Professor Pavlos Lagoudakis, Chefe do Laboratório de Fotônica Híbrida da Universidade de Southampton e do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo, onde os experimentos foram realizados. "No momento, estamos ampliando nosso dispositivo para centenas de nós, enquanto testa seu poder computacional fundamental. O objetivo final é um simulador quântico microchip operando em condições ambientais. "
