Cientistas do Instituto de Física da Universidade de Tartu descobriram uma maneira de desenvolver computadores quânticos ópticos de um novo tipo. No centro da descoberta estão os íons de terras raras que têm certas características e podem atuar como bits quânticos. Isso daria aos computadores quânticos uma velocidade de computação ultrarrápida e melhor confiabilidade em comparação com as soluções anteriores. Os pesquisadores da Universidade de Tartu Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik e Yurii Orlovskii publicaram os resultados de suas pesquisas na revista científica Comunicações Ópticas .

Enquanto em computadores comuns, as unidades de informação são dígitos binários ou bits, em computadores quânticos, as unidades são bits ou qubits quânticos. Em um computador comum, a informação é principalmente transportada por eletricidade em células de armazenamento de memória que consistem em transistores de efeito de campo, mas em um computador quântico, dependendo do tipo de computador, os portadores de informações são partículas muito menores, por exemplo, íons, fótons e elétrons. A informação do qubit pode ser transportada por uma certa característica desta partícula (por exemplo, spin do elétron ou polarização do fóton), que pode ter dois estados. Embora os valores de um bit comum sejam 0 ou 1, também variantes intermediárias desses valores são possíveis no bit quântico. O estado intermediário é chamado de superposição. Esta propriedade dá aos computadores quânticos a capacidade de resolver tarefas, que os computadores comuns são incapazes de executar dentro de um tempo razoável.

Qubits de cristais de íons mistos

Pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de Tartu mostraram que os microcristais, sintetizado com base em matrizes de cristal de fluoreto óptico misto dopado com érbio, praseodímio e alguns outros íons de elementos de terras raras, podem funcionar como qubits que permitem a computação quântica óptica ultrarrápida.

Professor Vladimir Hizhnyakov, membro da Academia de Ciências da Estônia, diz que ao selecionar os íons, seus estados eletrônicos de propriedades muito diferentes são de extrema importância. "Eles devem ter pelo menos dois estados nos quais a interação iônica é muito fraca. Esses estados são adequados para operações lógicas quânticas básicas em bits quânticos únicos. Além disso, um estado ou estados são necessários em que a interação de íons é forte - esses estados permitem operações de lógica quântica com dois ou mais qubits. Todos esses estados devem ter uma vida útil longa (mili ou microssegundo) e as transições ópticas devem ser permitidas entre esses estados, "Hizhnyakov explicou.

Ele disse isso até agora, encontrar tais estados eletrônicos de íons de terras raras não era considerado possível, e é por isso que os cientistas não procuraram por tais estados adequados para qubits entre eles. "Até aqui, principalmente os estados de spin de núcleos atômicos foram estudados para o papel dos qubits. Contudo, sua frequência é um milhão de vezes menor do que a frequência de nossos bits quânticos. É por isso que também os computadores quânticos criados com base nesses qubits seriam significativamente mais lentos do que os computadores com nossos bits quânticos baseados em estados eletrônicos, " ele explicou.

Maior velocidade e menos erros

Um ciclo de trabalho ultrarrápido permitiria, de acordo com Hizhnyakov, para superar um dos maiores obstáculos na criação de computadores quânticos. Qubits são muito sensíveis ao seu ambiente, razão pela qual qualquer interferência ambiental pode levar a erros na computação quântica. "O tempo de coerência dos qubits, ou seja, a duração do estado quântico puro, é muito curto. Quanto mais rápido o ciclo de computação, menos interferência é causada pelo ambiente circundante no trabalho dos qubits, "Hizhnyakov explicou.

Foi verificado que o método de queima de orifícios espectrais, previamente desenvolvido no Instituto de Física da Universidade de Tartu pode ser usado para selecionar um conjunto de qubits em um microcristal que atua como uma instância de computador. De acordo com Hizhnyakov, este atualmente é um dos métodos mais poderosos de espectroscopia óptica, que permite encontrar os íons em um microcristal que são os mais adequados para uso como qubits de computador.

Embora ainda seja um longo caminho cheio de obstáculos para um computador quântico realmente funcional, pesquisadores do laboratório de espectroscopia a laser da Universidade de Tartu começaram a construir um protótipo piloto de computador quântico baseado no novo método. De acordo com os pesquisadores, eles estão prestes a apresentar o trabalho dos elementos básicos do novo tipo de computador quântico.

O estudo de pesquisa concluído é parte do projeto conjunto "Espectroscopia de estados emaranhados de clusters de íons de terras raras para computação quântica, “conduzido pelo Laboratório de Espectroscopia Laser e pelo Laboratório de Teoria do Estado Sólido do Instituto de Física da Universidade de Tartu.