p Os cientistas do Joint Quantum Institute (JQI) têm melhorado continuamente o desempenho dos sistemas de armadilha de íons, uma plataforma líder para futuros computadores quânticos. Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por JQI Fellows Norbert Linke e Christopher Monroe realizou um experimento importante em cinco bits quânticos baseados em íons, ou qubits. Eles usaram pulsos de laser para criar simultaneamente conexões quânticas entre diferentes pares de qubits - a primeira vez que esses tipos de operações paralelas foram executados em uma armadilha de íons. O novo estudo, que é uma etapa crítica em direção à computação quântica em grande escala, foi publicado em 24 de julho na revista Natureza . p "Quando se trata de requisitos de escala para um computador quântico, íons presos marque todas as caixas, "diz Monroe, que também é professor Bice-Sechi Zorn no Departamento de Física da UMD e co-fundador da startup de computação quântica IonQ. "Fazer com que essas operações paralelas funcionem ilustra ainda mais que o avanço dos processadores quânticos íon trap não é limitado pela física dos qubits e, em vez disso, está vinculado à engenharia de seus controladores."

p Armadilhas de íons são dispositivos para capturar átomos e moléculas carregadas, e são comumente implantados para análises químicas. Nas décadas recentes, físicos e engenheiros combinaram armadilhas de íons com sistemas de laser sofisticados para exercer controle sobre íons atômicos individuais. Hoje, esse tipo de hardware é um dos mais promissores para a construção de um computador quântico universal.

p A armadilha de íons JQI usada neste estudo é feita de eletrodos revestidos de ouro, que carregam os campos elétricos que confinam os íons de itérbio. Os íons são capturados no meio da armadilha, onde formam uma linha, cada um separado de seu vizinho por alguns mícrons. Essa configuração permite que os pesquisadores tenham um controle preciso sobre os íons individuais e os configurem como qubits.

p Cada íon tem níveis de energia internos ou estados quânticos que são naturalmente isolados de influências externas. Esse recurso os torna ideais para armazenar e controlar informações quânticas, o que é notoriamente delicado. Neste experimento, a equipe de pesquisa usa dois desses estados, chamado "0" e "1, "como o qubit.

p Os pesquisadores apontam pulsos de laser em uma série de qubits para executar programas neste computador quântico de pequena escala. Os programas, também chamados de circuitos, são divididos em um conjunto de portas de um e dois qubit. Um único qubit gate pode, por exemplo, inverta o estado de um íon de 1 para 0. Essa é uma tarefa simples para um pulso de laser. Uma porta de dois qubits requer pulsos mais sofisticados porque envolve ajustar as interações entre os qubits. Certas operações de dois qubits podem criar emaranhamento - uma conexão quântica necessária para a computação quântica - entre dois qubits.

p Até agora, circuitos em computadores quânticos de armadilha de íons foram limitados a uma sequência de portas individuais, um após o outro. Com esta nova demonstração, pesquisadores agora podem fazer portas de dois qubit em paralelo, criando emaranhado entre diferentes pares de íons simultaneamente. A equipe de pesquisa conseguiu isso otimizando as sequências de pulso de laser usadas para realizar as operações, certificando-se de cancelar as interações indesejadas de qubit laser. Desta maneira, eles foram capazes de implementar com sucesso portas emaranhadas simultâneas em dois pares de íons separados.

p De acordo com os autores, portas de emaranhamento paralelas permitirão que os programas corrijam erros durante uma computação quântica - um requisito quase certo em computadores quânticos com muito mais qubits. Além disso, um computador quântico que fatora grandes números ou simula a física quântica provavelmente precisará de operações paralelas de emaranhamento para obter uma vantagem de velocidade sobre os computadores convencionais.