Ano passado, pesquisadores do Fermilab receberam mais de US $ 3,5 milhões para projetos que se aprofundam no campo florescente da ciência da informação quântica. A pesquisa financiada pela bolsa abrange toda a gama, desde a construção e modelagem de dispositivos para possível uso no desenvolvimento de computadores quânticos até o uso de átomos ultracold para procurar matéria escura.

Para seu projeto de computador quântico, O físico de partículas do Fermilab Adam Lyon e o cientista da computação Jim Kowalkowski estão colaborando com pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, onde eles estarão executando simulações em computadores de alto desempenho. Seu trabalho ajudará a determinar se os instrumentos chamados cavidades supercondutoras de radiofrequência, também usado em aceleradores de partículas, pode resolver um dos maiores problemas do desenvolvimento bem-sucedido de um computador quântico:a decoerência dos qubits.

"O Fermilab foi pioneiro em fazer cavidades supercondutoras que podem acelerar partículas a um grau extremamente alto em um curto espaço de tempo, "disse Lyon, um dos principais cientistas do projeto. "Acontece que isso é diretamente aplicável a um qubit."

Pesquisadores da área têm trabalhado no desenvolvimento de dispositivos de computação quântica de sucesso nas últimas décadas; até aqui, tem sido difícil. Isso ocorre principalmente porque os computadores quânticos precisam manter condições muito estáveis ​​para manter os qubits em um estado quântico chamado superposição.

Sobreposição

Os computadores clássicos usam um sistema binário de zeros e uns - chamados de bits - para armazenar e analisar dados. Oito bits combinados formam um byte de dados, que podem ser agrupados para codificar ainda mais informações. (Existem cerca de 31,8 milhões de bytes na música digital média de três minutos.) Em contraste, os computadores quânticos não são limitados por um sistema binário estrito. Em vez, eles operam em um sistema de qubits, cada um dos quais pode assumir uma faixa contínua de estados durante a computação. Assim como um elétron orbitando um núcleo atômico não tem uma localização discreta, mas ocupa todas as posições em sua órbita de uma vez em uma nuvem de elétrons, um qubit pode ser mantido em uma superposição de zero e um.

Uma vez que existem dois estados possíveis para qualquer qubit dado, um par dobra a quantidade de informações que podem ser manipuladas:2 ² =4. Use quatro qubits, e essa quantidade de informações cresce para 2 ⁴ =16. Com este aumento exponencial, seriam necessários apenas 300 qubits emaranhados para codificar mais informações do que a matéria existente no universo.

Posições paralelas

Qubits não representam dados da mesma maneira que bits. Como os qubits em superposição são zero e um ao mesmo tempo, eles podem representar da mesma forma todas as respostas possíveis para um determinado problema simultaneamente. Isso é chamado de paralelismo quântico, e é uma das propriedades que torna os computadores quânticos muito mais rápidos do que os sistemas clássicos.

A diferença entre os computadores clássicos e seus equivalentes quânticos pode ser comparada a uma situação em que há um livro com algumas páginas impressas aleatoriamente em tinta azul em vez de preta. Os dois computadores têm a tarefa de determinar quantas páginas foram impressas em cada cor.

"Um computador clássico passaria por todas as páginas, "Lyon disse. Cada página seria marcada, um por vez, como sendo impressos em preto ou em azul. "Um computador quântico, em vez de percorrer as páginas sequencialmente, iria passar por todos eles de uma vez. "

Uma vez que o cálculo foi concluído, um computador clássico lhe daria uma definição, resposta discreta. Se o livro tivesse três páginas impressas em azul, essa é a resposta que você obteria.

"Mas um computador quântico é inerentemente probabilístico, "Kowalkowski disse.

Isso significa que os dados que você recebe não são definitivos. Em um livro com 100 páginas, os dados de um computador quântico não seriam apenas três. Também pode dar a você, por exemplo, uma chance de um por cento de ter três páginas azuis ou uma chance de um por cento de 50 páginas azuis.

Um problema óbvio surge ao tentar interpretar esses dados. Um computador quântico pode realizar cálculos incrivelmente rápidos usando qubits paralelos, mas expõe apenas probabilidades, que, claro, não é muito útil, a menos que, isso é, a resposta certa poderia, de alguma forma, ter uma probabilidade maior.

Interferência

Considere duas ondas de água que se aproximam. Conforme eles se encontram, eles podem interferir construtivamente, produzindo uma onda com uma crista mais alta. Ou eles podem interferir destrutivamente, cancelando um ao outro para que não haja mais nenhuma onda para falar. Os estados Qubit também podem atuar como ondas, exibindo os mesmos padrões de interferência, uma propriedade que os pesquisadores podem explorar para identificar a resposta mais provável para o problema que recebem.

"Se você pode estabelecer interferência entre as respostas certas e as respostas erradas, você pode aumentar a probabilidade de que as respostas certas apareçam mais do que as erradas, - Lyon disse. - Você está tentando encontrar uma maneira quântica de fazer as respostas corretas interferirem construtivamente e as respostas erradas interferirem destrutivamente.

Quando um cálculo é executado em um computador quântico, o mesmo cálculo é executado várias vezes, e os qubits podem interferir uns com os outros. O resultado é uma curva de distribuição em que a resposta correta é a resposta mais frequente.

Ouvindo sinais acima do ruído

Nos últimos cinco anos, pesquisadores em universidades, instalações governamentais e grandes empresas fizeram avanços encorajadores em direção ao desenvolvimento de um computador quântico útil. Ano passado, O Google anunciou que realizou cálculos em seu processador quântico chamado Sycamore em uma fração do tempo que o maior supercomputador do mundo levaria para concluir a mesma tarefa.

No entanto, os dispositivos quânticos que temos hoje ainda são protótipos, semelhante aos primeiros grandes computadores de tubo de vácuo dos anos 194.

"As máquinas que temos agora não aumentam muito, "Lyon disse.

Ainda existem alguns obstáculos que os pesquisadores precisam superar antes que os computadores quânticos se tornem viáveis ​​e competitivos. Uma das maiores é encontrar uma maneira de manter os estados qubit delicados isolados por tempo suficiente para que façam cálculos.

Se um fóton perdido - uma partícula de luz - de fora do sistema interagisse com um qubit, sua onda interferiria na superposição do qubit, essencialmente transformando os cálculos em uma bagunça confusa - um processo chamado decoerência. Embora os refrigeradores façam um trabalho moderadamente bom em manter as interações indesejadas ao mínimo, eles podem fazer isso apenas por uma fração de segundo.

"Os sistemas quânticos gostam de ser isolados, "Lyon disse, "e não há maneira fácil de fazer isso."

É aí que entra o trabalho de simulação de Lyon e Kowalkowski. Se os qubits não podem ser mantidos frios o suficiente para manter uma superposição emaranhada de estados, talvez os próprios dispositivos possam ser construídos de forma a torná-los menos suscetíveis a ruídos.

Acontece que cavidades supercondutoras feitas de nióbio, normalmente usado para impulsionar feixes de partículas em aceleradores, poderia ser a solução. Essas cavidades precisam ser construídas com muita precisão e operar em temperaturas muito baixas para propagar com eficiência as ondas de rádio que aceleram os feixes de partículas. Os pesquisadores teorizam que, ao colocar processadores quânticos nessas cavidades, os qubits serão capazes de interagir sem perturbações por segundos, em vez do registro atual de milissegundos, dando-lhes tempo suficiente para realizar cálculos complexos.

Qubits vêm em várias variedades diferentes. Eles podem ser criados prendendo íons dentro de um campo magnético ou usando átomos de nitrogênio rodeados pela rede de carbono formada naturalmente nos cristais. As pesquisas no Fermilab e Argonne serão focadas em qubits feitos de fótons.

Lyon e sua equipe assumiram o trabalho de simular o desempenho esperado das cavidades de radiofrequência. Ao realizar suas simulações em computadores de alto desempenho, conhecidos como HPCs, no Argonne National Laboratory, eles podem prever por quanto tempo os qubits de fótons podem interagir neste ambiente de ruído ultrabaixo e responder por quaisquer interações inesperadas.

Pesquisadores de todo o mundo têm usado software de código aberto para computadores desktop para simular diferentes aplicações da mecânica quântica, fornecendo aos desenvolvedores projetos sobre como incorporar os resultados à tecnologia. O escopo desses programas, Contudo, é limitado pela quantidade de memória disponível em computadores pessoais. Para simular a escala exponencial de vários qubits, pesquisadores têm que usar HPCs.

"Passando de um desktop para um HPC, você pode ter 10, 000 vezes mais rápido, "disse Matthew Otten, bolsista do Laboratório Nacional Argonne e colaborador do projeto.

Depois que a equipe conclui suas simulações, os resultados serão usados ​​por pesquisadores do Fermilab para ajudar a melhorar e testar as cavidades para atuar como dispositivos computacionais.

"Se configurarmos uma estrutura de simulação, podemos fazer perguntas bem direcionadas sobre a melhor maneira de armazenar informações quânticas e a melhor maneira de manipulá-las, "disse Eric Holland, o vice-chefe de tecnologia quântica do Fermilab. "Podemos usar isso para orientar o que desenvolvemos para tecnologias quânticas."