Duas equipes independentes de cientistas, incluindo um da Universidade de Maryland (UMD) e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), usaram mais de 50 qubits atômicos interagindo para imitar a matéria quântica magnética, ultrapassando a complexidade das demonstrações anteriores. Os resultados aparecem na edição desta semana da Natureza .

Como base para sua simulação quântica, a equipe UMD-NIST implanta até 53 íons de itérbio individuais - átomos carregados presos no lugar por eletrodos revestidos de ouro e afiados. Um projeto complementar de pesquisadores de Harvard e do MIT usa 51 átomos de rubídio sem carga confinados por uma série de feixes de laser. Com tantos qubits, esses simuladores quânticos estão prestes a explorar a física que é inacessível até mesmo pelos supercomputadores modernos mais rápidos. E adicionar ainda mais qubits é apenas uma questão de laçar mais átomos na mistura.

"Cada qubit iônico é um relógio atômico estável que pode ser perfeitamente replicado, "diz o líder da equipe UMD, Christopher Monroe, que também é cofundador e cientista-chefe da startup IonQ Inc. "Eles são efetivamente conectados com feixes de laser externos. Isso significa que o mesmo dispositivo pode ser reprogramado e reconfigurado, de fora, para se adaptar a qualquer tipo de simulação quântica ou futura aplicação de computador quântico que apareça. ”Monroe foi um dos primeiros pioneiros na computação quântica e o simulador quântico de seu grupo de pesquisa é parte de um projeto para um computador quântico de uso geral.

Hardware quântico para um problema quântico

Embora moderno, computadores movidos a transistores são ótimos para lidar com muitos problemas, eles podem parar bruscamente ao lidar com mais de 20 objetos quânticos em interação. Esse é certamente o caso do magnetismo quântico, em que as interações podem levar ao alinhamento magnético ou a uma confusão de interesses concorrentes na escala quântica.

"O que torna este problema difícil é que cada ímã interage com todos os outros ímãs, "diz o cientista pesquisador da UMD Zhexuan Gong, teórico principal e coautor do estudo. "Com os 53 ímãs quânticos interagindo neste experimento, há mais de um quatrilhão de configurações magnéticas possíveis, e este número dobra com cada ímã adicional. Simular este problema em grande escala em um computador convencional é extremamente desafiador, se tudo for possível."

Quando esses cálculos batem na parede, um simulador quântico pode ajudar os cientistas a inovar em problemas difíceis. Este é um tipo restrito de computador quântico que usa qubits para imitar a matéria quântica complexa. Qubits são sistemas quânticos isolados e bem controlados que podem estar em uma combinação de dois ou mais estados ao mesmo tempo. Qubits vêm em diferentes formas, e átomos - os versáteis blocos de construção de tudo - são uma das principais escolhas para fazer qubits. Nos últimos anos, os cientistas controlaram de 10 a 20 qubits atômicos em simulações quânticas em pequena escala.

Atualmente, gigantes da indústria de tecnologia, startups e pesquisadores universitários estão em uma corrida feroz para construir protótipos de computadores quânticos que podem controlar ainda mais qubits. Mas os qubits são delicados e devem permanecer isolados do ambiente para proteger a natureza quântica do dispositivo. Com cada qubit adicionado, essa proteção se torna mais difícil, especialmente se os qubits não forem idênticos desde o início, como é o caso com circuitos fabricados. Esse é um dos motivos pelos quais os átomos são uma escolha atraente que pode simplificar drasticamente o processo de escalonamento para maquinário quântico de grande escala.

Uma vantagem atômica

Ao contrário do circuito integrado dos computadores modernos, qubits atômicos residem dentro de uma câmara de vácuo em temperatura ambiente que mantém uma pressão semelhante à do espaço sideral. Este isolamento é necessário para manter o ambiente destrutivo sob controle, e permite aos cientistas controlar com precisão os qubits atômicos com uma rede altamente projetada de lasers, lentes, espelhos, fibras ópticas e circuitos elétricos.

"Os princípios da computação quântica diferem radicalmente daqueles da computação convencional, então não há razão para esperar que essas duas tecnologias sejam parecidas, "diz Monroe.

No simulador de 53 qubit, os qubits de íons são feitos de átomos que têm a mesma carga elétrica e, portanto, se repelem. Mas quando eles se afastam, um campo elétrico gerado por uma armadilha os força a se juntarem novamente. Os dois efeitos se equilibram, e os íons se alinham em um único arquivo. Os físicos alavancam a repulsão inerente para criar interações íon-a-íon deliberadas, que são necessários para simular a interação da matéria quântica.

A simulação quântica começa com um pulso de laser que comanda todos os qubits no mesmo estado. Então, um segundo conjunto de feixes de laser interage com os qubits de íons, forçando-os a agir como pequenos ímãs, cada um com um pólo norte e um pólo sul. A equipe dá essa segunda etapa repentinamente, que põe os qubits em ação. Eles se sentem divididos entre duas escolhas, ou fases, de matéria quântica. Como ímãs, eles podem alinhar seus pólos com seus vizinhos para formar um ferromagneto ou apontar em direções aleatórias que não produzam magnetização. Os físicos podem mudar as intensidades relativas dos feixes de laser e observar qual fase vence em diferentes condições de laser.

A simulação inteira leva apenas alguns milissegundos. Repetindo o processo muitas vezes e medindo os estados resultantes em diferentes pontos durante a simulação, a equipe pode ver o processo como ele se desenrola do início ao fim. Os pesquisadores observam como os ímãs qubit se organizam em diferentes fases, dinâmicas que os autores dizem ser quase impossíveis de calcular usando meios convencionais quando há tantas interações.

Este simulador quântico é adequado para sondar matéria magnética e problemas relacionados. Mas outros tipos de cálculos podem precisar de um computador quântico mais geral com interações programáveis ​​arbitrariamente para obter um impulso.

"Acredita-se que as simulações quânticas sejam uma das primeiras aplicações úteis dos computadores quânticos, "diz Alexey Gorshkov, Físico teórico do NIST e coautor do estudo. "Depois de aperfeiçoar esses simuladores quânticos, podemos então implementar circuitos quânticos e, eventualmente, conectar quânticos muitas dessas cadeias de íons para construir um computador quântico em escala real com um domínio muito mais amplo de aplicações. "

À medida que procuram adicionar ainda mais qubits, a equipe acredita que seu simulador embarcará em terrenos mais desafiadores do ponto de vista computacional, além do magnetismo. "Continuamos a refinar nosso sistema, e pensamos que em breve, seremos capazes de controlar 100 qubits de íons, ou mais, "diz Jiehang Zhang, o principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado da UMD. "Nesse ponto, podemos potencialmente explorar problemas difíceis em química quântica ou design de materiais. "