No mundo da computação quântica, a interação é tudo.

Para que os computadores funcionem, bits - os uns e zeros que compõem as informações digitais - devem ser capazes de interagir e entregar dados para processamento. O mesmo vale para os bits quânticos, ou qubits, que compõem os computadores quânticos.

Mas essa interação cria um problema - em qualquer sistema no qual os qubits interagem uns com os outros, eles também tendem a querer interagir com seu ambiente, resultando em qubits que perdem rapidamente sua natureza quântica.

Para contornar o problema, Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências Ph.D. o estudante Ruffin Evans voltou-se para partículas conhecidas principalmente por sua falta de interação - os fótons.

Trabalhando no laboratório de Mikhail Lukin, o Professor de Física George Vasmer Leverett e codiretor da Iniciativa de Ciência e Engenharia Quântica, Evans é o autor principal de um estudo, descrito no jornal Ciência , que demonstra um método para projetar uma interação entre dois qubits usando fótons.

"Não é difícil projetar um sistema com interações muito fortes, mas interações fortes também podem causar ruído e interferência por meio da interação com o ambiente, "Evans disse." Então você tem que tornar o ambiente extremamente limpo. Este é um grande desafio. Estamos operando em um regime completamente diferente. Usamos fótons, que têm interações fracas com tudo. "

Evans e colegas começaram criando dois qubits usando centros de vacância de silício - impurezas em escala atômica em diamantes - e colocando-os dentro de um dispositivo em escala nanométrica conhecido como cavidade de cristal fotônico, que se comporta como dois espelhos opostos.

"A chance de que a luz interaja com um átomo em uma única passagem pode ser muito, muito pequeno, mas uma vez que a luz salta por volta de 10, 000 vezes, quase certamente vai acontecer, "disse ele." Então, um dos átomos pode emitir um fóton, e vai pular entre esses espelhos, e em algum ponto, o outro átomo irá absorver o fóton. "

A transferência desse fóton não ocorre apenas em uma direção, no entanto.

"O fóton é na verdade trocado várias vezes entre os dois qubits, "Evans disse." É como se eles estivessem jogando batata quente; os qubits passam para frente e para trás. "

Embora a noção de criar interação entre qubits não seja nova - os pesquisadores conseguiram esse feito em uma série de outros sistemas - existem dois fatores que tornam o novo estudo único, Evans disse.

"O principal avanço é que estamos operando com fótons em frequências ópticas, que geralmente interagem muito fracamente, "ele disse." É exatamente por isso que usamos fibra óptica para transmitir dados - você pode enviar luz através de uma fibra longa basicamente sem atenuação. Portanto, nossa plataforma é especialmente interessante para computação quântica de longa distância ou rede quântica. "

E embora o sistema opere apenas em temperaturas ultrabaixas, Evans disse que é menos complexo do que as abordagens que requerem sistemas elaborados de resfriamento a laser e armadilhas ópticas para manter os átomos no lugar. Como o sistema é construído em escala nano, ele adicionou, ele abre a possibilidade de que muitos dispositivos possam ser alojados em um único chip.

"Mesmo que esse tipo de interação já tenha sido realizado antes, não foi realizado em sistemas de estado sólido no domínio óptico, "ele disse." Nossos dispositivos são construídos usando técnicas de fabricação de semicondutores. É fácil imaginar o uso dessas ferramentas para aumentar a escala para muitos outros dispositivos em um único chip. "

Evans prevê duas direções principais para pesquisas futuras. O primeiro envolve o desenvolvimento de maneiras de exercer controle sobre os qubits e a construção de um conjunto completo de portas quânticas que permitiriam que funcionassem como um computador quântico funcional.

“A outra direção é dizer que já podemos construir esses dispositivos, e pegue informações, lê-lo fora do dispositivo e colocá-lo em uma fibra óptica, então, vamos pensar em como aumentamos isso e realmente construímos uma rede quântica real em distâncias em escala humana, "disse ele." Estamos imaginando esquemas para construir links entre dispositivos no laboratório ou no campus usando os ingredientes que já temos, ou usando dispositivos de próxima geração para realizar uma rede quântica de pequena escala. "

Em última análise, Evans disse, o trabalho pode ter impactos de amplo alcance no futuro da computação.

"Tudo, de uma internet quântica a centros de dados quânticos, exigirá links ópticos entre sistemas quânticos, e essa é a peça do quebra-cabeça para a qual nosso trabalho é muito adequado, " ele disse.

Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.