A tecnologia por trás dos computadores quânticos do futuro está se desenvolvendo rapidamente, com várias abordagens diferentes em andamento. Muitas das estratégias, ou "plantas, "pois os computadores quânticos dependem de átomos ou circuitos elétricos parecidos com átomos artificiais. Em um novo estudo teórico publicado na revista Revisão Física X , um grupo de físicos da Caltech demonstra os benefícios de uma abordagem menos estudada que não depende de átomos, mas de moléculas.

"No mundo quântico, temos vários projetos sobre a mesa e estamos melhorando simultaneamente todos eles, "diz o autor principal Victor Albert, o Lee A. DuBridge Postdoctoral Scholar in Theoretical Physics. "As pessoas têm pensado em usar moléculas para codificar informações desde 2001, mas agora estamos mostrando como as moléculas, que são mais complexos do que átomos, pode levar a menos erros na computação quântica. "

No coração dos computadores quânticos estão os chamados qubits. São semelhantes aos bits dos computadores clássicos, mas, ao contrário dos bits clássicos, eles podem experimentar um fenômeno bizarro conhecido como superposição, no qual existem em dois estados ou mais ao mesmo tempo. Como o famoso experimento mental do gato de Schrödinger, que descreve um gato que está vivo e morto ao mesmo tempo, as partículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo. O fenômeno da superposição está no cerne da computação quântica:o fato de que os qubits podem assumir muitas formas simultaneamente significa que eles têm exponencialmente mais poder de computação do que os bits clássicos.

Mas o estado de superposição é delicado, como qubits estão propensos a entrar em colapso de seus estados desejados, e isso leva a erros de computação.

"Na computação clássica, você tem que se preocupar com os bits virando, em que um bit '1' vai para um '0' ou vice-versa, que causa erros, "diz Albert." Isso é como jogar uma moeda, e é difícil de fazer. Mas na computação quântica, a informação é armazenada em superposições frágeis, e mesmo o equivalente quântico de uma rajada de vento pode levar a erros. "

Contudo, se uma plataforma de computador quântica usa qubits feitos de moléculas, os pesquisadores dizem, esses tipos de erros são mais prováveis ​​de serem evitados do que em outras plataformas quânticas. Um conceito por trás da nova pesquisa vem do trabalho realizado há quase 20 anos pelos pesquisadores do Caltech John Preskill, Richard P. Feynman Professor de Física Teórica e diretor do Instituto de Informação Quântica e Matéria (IQIM), e Alexei Kitaev, o Professor Ronald e Maxine Linde de Física Teórica e Matemática na Caltech, junto com seu colega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) do Perimeter Institute em Ontário, Canadá. Naquela época, os cientistas propuseram uma brecha que forneceria uma maneira de contornar um fenômeno chamado princípio da incerteza de Heisenberg, que foi introduzido em 1927 pelo físico alemão Werner Heisenberg. O princípio afirma que não se pode saber simultaneamente com precisão muito alta onde uma partícula está e para onde está indo.

"Há uma piada em que Heisenberg é parado por um policial que diz saber que a velocidade de Heisenberg era de 145 quilômetros por hora, e Heisenberg responde, 'Agora eu não tenho ideia de onde estou, '"diz Albert.

O princípio da incerteza é um desafio para os computadores quânticos porque implica que os estados quânticos dos qubits não podem ser conhecidos o suficiente para determinar se os erros ocorreram ou não. Contudo, Gottesman, Kitaev, e Preskill descobriu que, embora a posição exata e o momento de uma partícula não pudessem ser medidos, foi possível detectar mudanças muito pequenas em sua posição e impulso. Essas mudanças podem revelar que ocorreu um erro, tornando possível empurrar o sistema de volta ao estado correto. Este esquema de correção de erros, conhecido como GKP por causa de seus descobridores, foi recentemente implementado em dispositivos de circuito supercondutor.

"Erros estão bem, mas apenas se soubermos que acontecem, "diz Preskill, co-autor do artigo Physical Review X e também coordenador científico de um novo centro de ciências financiado pelo Departamento de Energia denominado Quantum Systems Accelerator. "O objetivo da correção de erros é maximizar a quantidade de conhecimento que temos sobre os erros em potencial."

No novo jornal, este conceito é aplicado a moléculas giratórias em superposição. Se a orientação ou o momento angular da molécula mudar um pouco, essas mudanças podem ser corrigidas simultaneamente.

"Queremos rastrear as informações quânticas conforme estão evoluindo sob o ruído, "diz Albert." O barulho está nos chutando um pouco. Mas se tivermos uma sobreposição cuidadosamente escolhida dos estados das moléculas, podemos medir a orientação e o momento angular, desde que sejam pequenos o suficiente. E então podemos chutar o sistema de volta para compensar. "

Jacob Covey, um co-autor no artigo e ex-bolsista de pós-doutorado da Caltech que recentemente se juntou ao corpo docente da Universidade de Illinois, afirma que pode ser possível eventualmente controlar individualmente moléculas para uso em sistemas de informação quântica como esses. Ele e sua equipe fizeram avanços no uso de feixes de laser ópticos, ou "pinças, "para controlar átomos neutros únicos (átomos neutros são outra plataforma promissora para sistemas de informação quântica).

"O apelo das moléculas é que elas são estruturas muito complexas que podem ser densamente compactadas, "diz Covey." Se pudermos descobrir como utilizar moléculas na computação quântica, podemos codificar informações de maneira robusta e melhorar a eficiência na qual os qubits são compactados. "

Albert diz que o trio de si mesmo, Preskill, e Covey forneceu a combinação perfeita de conhecimento teórico e experimental para alcançar os resultados mais recentes. Ele e Preskill são ambos teóricos, enquanto Covey é um experimentalista. "Foi muito bom ter alguém como John para me ajudar com a estrutura de toda essa teoria de códigos de correção de erros, e Jake nos deu uma orientação crucial sobre o que está acontecendo nos laboratórios. "

Diz Preskill, "Este é um artigo que nenhum de nós três poderia ter escrito por conta própria. O que é realmente divertido sobre o campo da informação quântica é que está nos encorajando a interagir através de algumas dessas divisões, e Caltech, com seu tamanho pequeno, é o lugar perfeito para fazer isso. "

o Revisão Física X estudo é intitulado "Codificação robusta de um qubit em uma molécula."