Os seres humanos criam muitos dados na era digital, seja por meio de itens do dia a dia, como postagens em redes sociais, e-mails e pesquisas do Google, ou informações mais complexas sobre saúde, finanças e descobertas científicas.

A International Data Corp. relatou que a esfera de dados global continha 33 zetabytes, ou 33 trilhões de gigabytes, em 2018. Em 2025, eles esperam que esse número cresça para 175 zetabytes. 175 zetabytes de informações armazenadas em DVDs encheriam DVDs suficientes para dar a volta à Terra 222 vezes.

Embora a computação quântica tenha sido apontada como uma forma de classificar de forma inteligente o big data, ambientes quânticos são difíceis de criar e manter. Estados de bit quânticos emaranhados, ou qubits, geralmente duram menos de um segundo antes de entrar em colapso. Qubits também são altamente sensíveis aos ambientes circundantes e devem ser armazenados em temperaturas criogênicas.

Em um artigo publicado em Física das Comunicações , pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Arizona demonstraram a possibilidade das ondas acústicas em um ambiente clássico fazerem o trabalho de processamento de informações quânticas sem as limitações de tempo e fragilidade.

"Poderíamos rodar nosso sistema por anos, "disse Keith Runge, diretor de pesquisa do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e um dos autores do artigo. "É tão robusto que poderíamos levá-lo para uma feira comercial sem ser perturbado - no início deste ano, nós fizemos."

O professor assistente de pesquisa de ciência e engenharia de materiais, Arif Hasan, conduziu a pesquisa. Outros co-autores incluem o professor assistente de pesquisa do MSE Lazaro Calderin; o estudante de graduação Trevor Lata; Pierre Lucas, professor de MSE e ciências ópticas; e Pierre Deymier, Chefe de departamento MSE, membro do Programa Interdisciplinar de Pós-Graduação em Matemática Aplicada, e membro do Instituto BIO5. A equipe está trabalhando com a Tech Launch Arizona, o escritório da UA que comercializa invenções oriundas de pesquisas, para patentear seu dispositivo e está investigando caminhos comerciais para levar a inovação ao público.

Superposição Quântica

Na computação clássica, as informações são armazenadas como 0s ou 1s, da mesma forma que uma moeda deve cair em cara ou coroa. Na computação quântica, qubits podem ser armazenados em ambos os estados ao mesmo tempo - uma assim chamada superposição de estados. Pense em uma moeda equilibrada de lado, girando tão rapidamente que cara e coroa parecem aparecer ao mesmo tempo.

Quando os qubits estão emaranhados, tudo o que acontece a um qubit afeta o outro por meio de um princípio denominado não separabilidade. Em outras palavras, derrubar uma moeda girando em uma mesa e outra moeda girando na mesma mesa cair, também. Um princípio chamado não localidade mantém as partículas ligadas, mesmo que estejam distantes umas das outras - derrubar uma moeda girando, e sua contraparte emaranhada do outro lado do universo cai, também. Os qubits emaranhados criam um estado Bell, em que todas as partes de um coletivo são afetadas umas pelas outras.

"Esta é a chave, porque se você manipular apenas um qubit, você está manipulando toda a coleção de qubits, "Deymier disse." Em um computador normal, você tem muitos bits de informação armazenados como 0s ou 1s, e você tem que abordar cada um deles. "

Da luz ao som

Mas, como uma moeda girando em sua borda, a mecânica quântica é frágil. O ato de medir um estado quântico pode causar o colapso do link, ou decohere - exatamente como tirar a foto de uma moeda girando significará capturar apenas um lado da moeda. É por isso que os estados de qubit só podem ser mantidos por curtos períodos.

Mas há uma maneira de contornar o uso da mecânica quântica para processamento de dados:cientistas ópticos e pesquisadores de engenharia elétrica e de computação demonstraram a capacidade de criar sistemas de fótons, ou unidades de luz, que exibem não separabilidade sem não localidade. Embora a não localidade seja importante para aplicações específicas como criptografia, é a não separabilidade que importa para aplicativos como a computação quântica. E as partículas que não são separáveis ​​nos estados de Bell clássicos, ao invés de emaranhado em um estado quântico de Bell, são muito mais estáveis.

A equipe de ciência e engenharia de materiais deu um passo adiante, demonstrando pela primeira vez que essa não separabilidade clássica pode ser aplicada a ondas acústicas, não apenas ondas de luz. Eles usam bits phi, unidades compostas por quase-partículas chamadas fônons, que transmitem ondas sonoras e de calor.

"Lasers de luz e fótons individuais fazem parte do campo fotônico, mas as ondas sonoras estão sob a égide da fonônica, ou o estudo dos fônons, "Deymier disse." Além de ser estável, ondas acústicas classicamente emaranhadas são fáceis de interagir e manipular. "

Ciência Complexa, Ferramentas Simples

Os materiais para demonstrar um conceito tão complexo eram simples, incluindo três hastes de alumínio, epóxi suficiente para conectá-los e alguns elásticos para elasticidade.

Os pesquisadores enviaram uma onda de vibrações sonoras pelas hastes, em seguida, monitorou dois graus de liberdade das ondas:em que direção as ondas se moviam nas barras (para frente ou para trás) e como as barras se moviam em relação umas às outras (se estavam ondulando na mesma direção e em amplitudes semelhantes). Para excitar o sistema em um estado não separável, eles identificaram uma frequência na qual esses dois graus de liberdade estavam ligados e enviaram as ondas nessa frequência. O resultado? Um estado de Bell.

"Então, temos um sistema acústico que nos dá a possibilidade de criar esses estados de Bell, "Deymier disse." É o análogo completo da mecânica quântica.

Demonstrar que isso é possível abriu a porta para a aplicação da não separabilidade clássica ao campo emergente da fonônica. Próximo, os pesquisadores trabalharão para aumentar o número de graus de liberdade que podem ser classicamente emaranhados - quanto mais, o melhor. Eles também desejam desenvolver algoritmos que possam usar esses estados não separáveis ​​para manipular informações.

Assim que o sistema for refinado, eles planejam redimensioná-lo da mesa até a microescala, pronto para implantar em chips de computador em centros de dados em todo o mundo.