Físicos do MIT e da Universidade de Harvard demonstraram uma nova maneira de manipular pedaços quânticos de matéria. Em um artigo publicado hoje na revista Natureza , eles relatam o uso de um sistema de lasers finamente ajustados para primeiro capturar e, em seguida, ajustar as interações de 51 átomos individuais, ou bits quânticos.

Os resultados da equipe representam uma das maiores matrizes de bits quânticos, conhecido como qubits, que os cientistas têm sido capazes de controlar individualmente. Na mesma edição de Natureza , uma equipe da Universidade de Maryland relata um sistema de tamanho semelhante usando íons aprisionados como bits quânticos.

Na abordagem MIT-Harvard, os pesquisadores geraram uma cadeia de 51 átomos e os programaram para passar por uma transição de fase quântica, em que todos os outros átomos da cadeia foram excitados. O padrão se assemelha a um estado de magnetismo conhecido como um antiferroímã, em que o spin de todos os outros átomos ou moléculas está alinhado.

A equipe descreve a matriz de 51 átomos como não exatamente um computador quântico genérico, que teoricamente deve ser capaz de resolver qualquer problema de computação que lhe seja proposto, mas um "simulador quântico" - um sistema de bits quânticos que pode ser projetado para simular um problema específico ou resolver para uma equação particular, muito mais rápido do que o computador clássico mais rápido.

Por exemplo, a equipe pode reconfigurar o padrão de átomos para simular e estudar novos estados da matéria e fenômenos quânticos, como o emaranhamento. O novo simulador quântico também pode ser a base para resolver problemas de otimização, como o problema do caixeiro viajante, em que um vendedor teórico deve descobrir o caminho mais curto a seguir para visitar uma determinada lista de cidades. Pequenas variações desse problema aparecem em muitas outras áreas de pesquisa, como sequenciamento de DNA, movendo uma ponta de solda automatizada para muitos pontos de solda, ou o roteamento de pacotes de dados por meio de nós de processamento.

"Este problema é exponencialmente difícil para um computador clássico, o que significa que pode resolver isso para um certo número de cidades, mas se eu quisesse adicionar mais cidades, ficaria muito mais difícil, muito rapidamente, "diz o co-autor do estudo Vladan Vuleti ?, o Lester Wolfe Professor de Física no MIT. "Para este tipo de problema, você não precisa de um computador quântico. Um simulador é bom o suficiente para simular o sistema correto. Portanto, achamos que esses algoritmos de otimização são as tarefas mais simples de realizar. "

O trabalho foi realizado em colaboração com os professores de Harvard Mikhail Lukin e Markus Greiner; Sylvain Schwartz, cientista visitante do MIT, também é coautor.

Separados, mas interagindo

Os computadores quânticos são dispositivos amplamente teóricos que podem realizar cálculos imensamente complicados em uma fração do tempo que levaria para o computador clássico mais poderoso do mundo. Eles fariam isso por meio de qubits - unidades de processamento de dados que, ao contrário dos bits binários dos computadores clássicos, pode estar simultaneamente em uma posição de 0 e 1. Essa propriedade quântica de superposição permite que um único qubit execute dois fluxos separados de computação simultaneamente. Adicionar qubits adicionais a um sistema pode acelerar exponencialmente os cálculos de um computador.

Mas grandes obstáculos impediram os cientistas de criar um computador quântico totalmente operacional. Um desses desafios:como fazer os qubits interagirem uns com os outros sem se envolver com o ambiente circundante.

"Sabemos que as coisas ficam clássicas com muita facilidade quando interagem com o ambiente, então você precisa [qubits] para estar superisolado, "diz Vuleti ?, que é membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica e do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "Por outro lado, eles precisam interagir fortemente com outro qubit. "

Alguns grupos estão construindo sistemas quânticos com íons, ou átomos carregados, como qubits. Eles prendem ou isolam os íons do resto do ambiente usando campos elétricos; uma vez preso, os íons interagem fortemente uns com os outros. Mas muitas dessas interações são fortemente repelentes, como ímãs de orientação semelhante, e são, portanto, difíceis de controlar, particularmente em sistemas com muitos íons.

Outros pesquisadores estão experimentando qubits supercondutores - átomos artificiais fabricados para se comportar de maneira quântica. Mas Vuleti? diz que esses qubits manufaturados têm suas desvantagens em comparação com aqueles baseados em átomos reais.

"Por definição, cada átomo é igual a todos os outros átomos da mesma espécie, "Vuleti? Diz." Mas quando você os constrói à mão, então você tem influências de fabricação, como frequências de transição ligeiramente diferentes, acoplamentos, et cetera. "

Preparando a armadilha

Vuleti? e seus colegas criaram uma terceira abordagem para a construção de um sistema quântico, usando átomos neutros - átomos que não possuem carga elétrica - como qubits. Ao contrário dos íons, átomos neutros não se repelem, e eles têm propriedades inerentemente idênticas, ao contrário de qubits supercondutores fabricados.

Em trabalhos anteriores, o grupo inventou uma maneira de prender átomos individuais, usando um feixe de laser para primeiro resfriar uma nuvem de átomos de rubídio para perto da temperatura de zero absoluto, diminuindo seu movimento até quase a paralisação. Eles então empregam um segundo laser, dividido em mais de 100 feixes, para prender e manter átomos individuais no lugar. Eles são capazes de criar imagens da nuvem para ver quais raios laser capturaram um átomo, e pode desligar certos feixes para descartar essas armadilhas sem um átomo. Eles então reorganizam todas as armadilhas com átomos, para criar um ordenado, matriz de qubits livre de defeitos.

Com esta técnica, os pesquisadores foram capazes de construir uma cadeia quântica de 51 átomos, todos presos em seu estado fundamental, ou nível de energia mais baixo.

Em seu novo jornal, a equipe relata indo um passo adiante, para controlar as interações desses 51 átomos presos, um passo necessário para manipular qubits individuais. Para fazer isso, eles desligaram temporariamente as frequências de laser que originalmente prendiam os átomos, permitindo que o sistema quântico evolua naturalmente.

Eles então expuseram o sistema quântico em evolução a um terceiro feixe de laser para tentar excitar os átomos no que é conhecido como um estado de Rydberg - um estado em que um dos elétrons de um átomo é excitado com uma energia muito alta em comparação com o resto do átomo. elétrons. Finalmente, eles ligaram os feixes de laser de captura de átomos para detectar os estados finais dos átomos individuais.

"Se todos os átomos começarem no estado fundamental, Acontece que quando tentamos colocar todos os átomos neste estado excitado, o estado que emerge é aquele em que cada segundo átomo é excitado, "Vuleti? Diz." Então os átomos fazem uma transição de fase quântica para algo semelhante a um antiferromagneto.

A transição ocorre apenas em todos os outros átomos, devido ao fato de que os átomos nos estados de Rydberg interagem muito fortemente entre si, e seria necessário muito mais energia para excitar dois átomos vizinhos aos estados de Rydberg do que o laser pode fornecer.

Vuleti? diz que os pesquisadores podem mudar as interações entre os átomos, alterando o arranjo dos átomos aprisionados, bem como a frequência ou cor do feixe de laser de excitação do átomo. O que mais, o sistema pode ser facilmente expandido.

"Achamos que podemos escalar para algumas centenas, "Vuleti? Diz." Se você quiser usar este sistema como um computador quântico, torna-se interessante na ordem de 100 átomos, dependendo de qual sistema você está tentando simular. "

Por enquanto, os pesquisadores estão planejando testar o sistema de 51 átomos como um simulador quântico, especificamente em problemas de otimização de planejamento de caminho que podem ser resolvidos usando computação quântica adiabática - uma forma de computação quântica proposta pela primeira vez por Edward Farhi, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT.

A computação quântica adiabática propõe que o estado fundamental de um sistema quântico descreve a solução para o problema de interesse. Quando esse sistema pode ser desenvolvido para produzir o próprio problema, o estado final do sistema pode confirmar a solução.

"Você pode começar preparando o sistema em um estado simples e conhecido de menor energia, por exemplo, todos os átomos em seus estados fundamentais, em seguida, deforme-o lentamente para representar o problema que você deseja resolver, por exemplo, o problema do caixeiro viajante, "Vuleti? Diz." É uma mudança lenta de alguns parâmetros do sistema, que é exatamente o que fazemos neste experimento. Portanto, nosso sistema é voltado para esses problemas de computação quântica adiabática. "