Cientistas da Universidade de Bristol e da Universidade Técnica da Dinamarca descobriram uma nova maneira promissora de construir a próxima geração de simuladores quânticos combinando micro-chips de luz e silício.

No roteiro para desenvolver máquinas quânticas capazes de competir e superar supercomputadores clássicos na resolução de problemas específicos, a comunidade científica enfrenta dois desafios tecnológicos principais.

O primeiro é a capacidade de construir grandes circuitos quânticos capazes de processar a informação em grande escala, e a segunda é a capacidade de criar um grande número de partículas quânticas únicas que podem codificar e propagar a informação quântica por meio de tais circuitos.

Esses dois requisitos precisam ser satisfeitos para desenvolver uma tecnologia quântica avançada capaz de superar as máquinas clássicas.

Uma plataforma muito promissora para enfrentar esses desafios é a fotônica quântica de silício. Nesta tecnologia, as informações transportadas pelos fótons, partícula única de luzes, é gerado e processado em micro-chips de silício.

Esses dispositivos orientam e manipulam a luz em escala nanométrica usando guias de onda integrados - o análogo das fibras ópticas em escala nanométrica.

Crucialmente, a fabricação de chips fotônicos requer as mesmas técnicas usadas para fabricar micro-chips eletrônicos na indústria de semicondutores, tornando possível a fabricação de circuitos quânticos em grande escala.

Nos laboratórios de Quantum Engineering Technology (QET) da University of Bristol, a equipe demonstrou recentemente chips fotônicos de silício que incorporam interferômetros quânticos compostos por quase mil componentes ópticos, ordens de magnitude mais altas que o que era possível apenas alguns anos atrás.

Contudo, a grande questão que permaneceu sem resposta era se esses dispositivos também eram capazes de produzir um número de fótons grande o suficiente para realizar tarefas computacionais quânticas úteis. A pesquisa liderada por Bristol, publicado hoje no jornal Física da Natureza , demonstra que esta questão tem uma resposta positiva.

Ao explorar os recentes desenvolvimentos tecnológicos em fotônica quântica de silício, a equipe demonstrou que mesmo circuitos fotônicos de silício em pequena escala podem gerar e processar uma série de fótons sem precedentes na fotônica integrada.

Na verdade, devido a imperfeições no circuito, como perdas de fótons, as demonstrações anteriores em fotônica integrada foram limitadas principalmente a experimentos com apenas dois fótons gerados e processados ​​no chip, e só no ano passado, experimentos de quatro fótons foram relatados usando circuitos complexos.

No trabalho, melhorando o design de cada componente integrado, a equipe mostra que mesmo circuitos simples podem produzir experimentos com até oito fótons, o dobro do recorde anterior em fotônica integrada. Além disso, sua análise mostra que ao aumentar a complexidade do circuito, que é uma grande capacidade da plataforma de silício, experimentos com mais de 20 fótons são possíveis, um regime em que se espera que as máquinas quânticas fotônicas ultrapassem os melhores supercomputadores clássicos.

O estudo também investiga possíveis aplicações para tais processadores quânticos fotônicos de curto prazo entrando em um regime de vantagem quântica.

Em particular, reconfigurando o tipo de não linearidade óptica no chip, eles demonstraram que os chips de silício podem ser usados ​​para realizar uma variedade de tarefas de simulação quântica, conhecido como problemas de amostragem de bóson.

Para alguns desses protocolos, por exemplo, a amostragem do bóson gaussiano - esta nova demonstração é inédita no mundo.

A equipe também demonstrou que, usando tais protocolos, dispositivos quânticos de silício serão capazes de resolver problemas industrialmente relevantes. Em particular, eles mostram como o problema químico de encontrar as transições vibracionais em moléculas passando por uma transformação eletrônica pode ser simulado em nosso tipo de dispositivo usando amostragem do bóson gaussiano.

O autor principal, Dr. Stefano Paesani, do Centro de Nanociência e Informação Quântica da University of Bristol, disse:"Nossas descobertas mostram que os simuladores quânticos fotônicos superando os supercomputadores clássicos são uma perspectiva realista de curto prazo para a plataforma fotônica quântica de silício.

"O desenvolvimento de tais máquinas quânticas pode ter impactos potencialmente inovadores em campos industrialmente relevantes, como a química, projeto molecular, inteligência artificial, e análise de big data.

"As aplicações incluem o design de melhores produtos farmacêuticos e a engenharia de estados moleculares capazes de gerar energia de forma mais eficiente."

O co-autor, Dr. Raffaele Santagati, acrescentou:"Os resultados obtidos nos deixam confiantes de que o marco das máquinas quânticas mais rápidas do que qualquer computador clássico atual está ao alcance da plataforma fotônica quântica integrada.

“Embora seja verdade que também outras tecnologias têm a capacidade de atingir tal regime, por exemplo, íons presos ou sistemas supercondutores, a abordagem fotônica tem a vantagem única de ter as aplicações de curto prazo que investigamos. O caminho fotônico, embora perigoso, está definido, e vale muito a pena perseguir. "

Professor Anthony Laing, Professor Associado de Física em Bristol, supervisionou o projeto. Ele disse:"Ao quadruplicar o número de fótons gerados e processados ​​no mesmo chip, a equipe preparou o cenário para aumentar os simuladores quânticos para dezenas de fótons, onde as comparações de desempenho com o hardware de computação padrão de hoje se tornam significativas. "