Os pesquisadores do Exército preveem que os circuitos quânticos dos computadores que não precisarão mais de temperaturas extremamente frias para funcionar podem se tornar uma realidade depois de cerca de uma década.

Por anos, a tecnologia quântica de estado sólido que opera em temperatura ambiente parecia remota. Embora a aplicação de cristais transparentes com não linearidades ópticas tenha surgido como o caminho mais provável para este marco, a plausibilidade de tal sistema sempre permaneceu em questão.

Agora, Cientistas do Exército confirmaram oficialmente a validade dessa abordagem. Dr. Kurt Jacobs, do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, trabalhando ao lado do Dr. Mikkel Heuck e do Prof. Dirk Englund, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, tornou-se o primeiro a demonstrar a viabilidade de uma porta lógica quântica composta de circuitos fotônicos e cristais ópticos.

"Se os dispositivos futuros que usam tecnologias quânticas exigirão resfriamento a temperaturas muito frias, então isso os tornará caros, volumoso, e faminto por poder, "Heuck disse." Nossa pesquisa visa desenvolver futuros circuitos fotônicos que serão capazes de manipular o emaranhamento necessário para dispositivos quânticos em temperatura ambiente. "

A tecnologia Quantum oferece uma gama de avanços futuros na computação, comunicações e sensoriamento remoto.

Para realizar qualquer tipo de tarefa, os computadores clássicos tradicionais trabalham com informações totalmente determinadas. A informação é armazenada em muitos bits, cada um dos quais pode estar ativado ou desativado. Um computador clássico, quando dada uma entrada especificada por um número de bits, pode processar essa entrada para produzir uma resposta, que também é fornecido como um número de bits. Um computador clássico processa uma entrada de cada vez.

Em contraste, os computadores quânticos armazenam informações em qubits que podem estar em um estado estranho em que estão ligados e desligados ao mesmo tempo. Isso permite que um computador quântico explore as respostas para muitas entradas ao mesmo tempo. Embora não possa produzir todas as respostas de uma vez, pode produzir relações entre essas respostas, o que permite resolver alguns problemas muito mais rápido do que um computador clássico.

Infelizmente, uma das principais desvantagens dos sistemas quânticos é a fragilidade dos estranhos estados dos qubits. A maior parte do hardware potencial para a tecnologia quântica deve ser mantida em temperaturas extremamente baixas - perto de zero kelvins - para evitar que os estados especiais sejam destruídos pela interação com o ambiente do computador.

"Qualquer interação que um qubit tem com qualquer outra coisa em seu ambiente começará a distorcer seu estado quântico, "Jacobs disse." Por exemplo, se o ambiente é um gás de partículas, então, mantê-lo bem frio mantém as moléculas de gás movendo-se lentamente, para que não colidam tanto com os circuitos quânticos. "

Os pesquisadores têm direcionado vários esforços para resolver este problema, mas uma solução definitiva ainda não foi encontrada. No momento, circuitos fotônicos que incorporam cristais ópticos não lineares surgiram atualmente como a única rota viável para a computação quântica com sistemas de estado sólido em temperatura ambiente.

"Os circuitos fotônicos são um pouco como os circuitos elétricos, exceto que eles manipulam a luz em vez de sinais elétricos, "Disse Englund." Por exemplo, podemos fazer canais em um material transparente por onde os fótons viajarão, um pouco como sinais elétricos viajando ao longo de fios. "

Ao contrário dos sistemas quânticos que usam íons ou átomos para armazenar informações, sistemas quânticos que usam fótons podem contornar a limitação de temperatura fria. Contudo, os fótons ainda devem interagir com outros fótons para realizar operações lógicas. É aqui que entram em jogo os cristais ópticos não lineares.

Os pesquisadores podem criar cavidades nos cristais que prendem temporariamente os fótons em seu interior. Por meio deste método, o sistema quântico pode estabelecer dois diferentes estados possíveis que um qubit pode conter:uma cavidade com um fóton (ligado) e uma cavidade sem um fóton (desligado). Esses qubits podem então formar portas lógicas quânticas, que criam a estrutura para os estados estranhos.

Em outras palavras, os pesquisadores podem usar o estado indeterminado de se um fóton está ou não em uma cavidade de cristal para representar um qubit. As portas lógicas atuam em dois qubits juntos, e pode criar "emaranhamento quântico" entre eles. Este emaranhamento é gerado automaticamente em um computador quântico, e é necessário para abordagens quânticas para aplicações em detecção.

Contudo, os cientistas basearam a ideia de fazer portas lógicas quânticas usando cristais ópticos não lineares inteiramente em especulação - até este ponto. Embora tenha mostrado uma promessa imensa, dúvidas permaneceram se esse método poderia até mesmo levar a portas lógicas práticas.

A aplicação de cristais ópticos não lineares permaneceu em questão até que pesquisadores no laboratório do Exército e no MIT apresentaram uma maneira de realizar uma porta lógica quântica com essa abordagem usando componentes de circuito fotônico estabelecidos.

"O problema era que, se alguém tivesse um fóton viajando em um canal, o fóton tem um 'pacote de ondas' com uma certa forma, "Jacobs disse." Para um portal quântico, você precisa que os pacotes de ondas de fótons permaneçam os mesmos após a operação do portão. Uma vez que as não linearidades distorcem os pacotes de ondas, a questão era se você poderia carregar o pacote de ondas nas cavidades, fazer com que eles interajam por meio de uma não linearidade, e então emitem os fótons novamente para que eles tenham os mesmos pacotes de ondas com os quais começaram. "

Depois de projetar a porta lógica quântica, os pesquisadores realizaram inúmeras simulações de computador da operação do portão para demonstrar que ele poderia, em teoria, funcionar adequadamente. A construção real de uma porta lógica quântica com este método exigirá primeiro melhorias significativas na qualidade de certos componentes fotônicos, pesquisadores disseram.

"Com base no progresso feito na última década, esperamos que demore cerca de dez anos para que as melhorias necessárias sejam realizadas, "Heuck disse." No entanto, o processo de carregar e emitir um pacote de ondas sem distorção é algo que devemos ser capazes de realizar com a tecnologia experimental atual, e esse é um experimento no qual trabalharemos a seguir. "

Cartas de revisão física publicou as descobertas da equipe em um artigo revisado por pares em 20 de abril.