Os computadores quânticos de hoje contêm até várias dezenas de unidades de memória e processamento, os chamados qubits. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, e colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching interconectaram com sucesso dois desses qubits localizados em laboratórios diferentes a um computador quântico distribuído, ligando os qubits a uma fibra óptica de 60 metros de comprimento. Nessa distância, eles perceberam uma porta lógica quântica - o bloco de construção básico de um computador quântico. Isso torna o sistema o primeiro protótipo mundial de um computador quântico distribuído.

As limitações das arquiteturas qubit anteriores

Os computadores quânticos são consideravelmente diferentes dos computadores "binários" tradicionais:espera-se que suas realizações futuras executem facilmente cálculos específicos para os quais os computadores tradicionais levariam meses ou mesmo anos - por exemplo, no campo da criptografia e descriptografia de dados. Enquanto o desempenho de computadores binários resulta de grandes memórias e ciclos de computação rápidos, o sucesso do computador quântico repousa no fato de que uma única unidade de memória - um bit quântico, também chamado de "qubit" - pode conter sobreposições de diferentes valores possíveis ao mesmo tempo. Portanto, um computador quântico não calcula apenas um resultado de cada vez, mas em vez disso, muitos resultados possíveis em paralelo. Quanto mais qubits estiverem interconectados em um computador quântico; os cálculos mais complexos que ele pode realizar.

As operações básicas de computação de um computador quântico são portas lógicas quânticas entre dois qubits. Tal operação muda - dependendo do estado inicial dos qubits - seus estados mecânicos quânticos. Para um computador quântico ser superior a um computador normal para vários cálculos, teria que interconectar de forma confiável muitas dezenas, ou mesmo milhares de qubits para igualmente milhares de operações quânticas. Apesar dos grandes sucessos, todos os laboratórios atuais ainda estão lutando para construir um computador quântico tão grande e confiável, já que cada qubit adicionalmente necessário torna muito mais difícil construir um computador quântico em apenas uma configuração. Os qubits são implementados, por exemplo, com átomos simples, elementos supercondutores, ou partículas de luz, todos os quais precisam estar perfeitamente isolados uns dos outros e do meio ambiente. Quanto mais qubits são organizados um ao lado do outro, mais difícil é isolá-los e controlá-los de fora ao mesmo tempo.

Linha de dados e unidade de processamento combinadas

Uma forma de superar as dificuldades técnicas na construção de computadores quânticos é apresentada em novo estudo na revista. Ciência por Severin Daiss, Stefan Langenfeld e colegas do grupo de pesquisa de Gerhard Rempe no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching. Neste trabalho apoiado pelo Instituto de Ciências Fotônicas (Castelldefels, Espanha), a equipe conseguiu conectar dois módulos qubit a uma distância de 60 metros de forma que eles efetivamente formassem um computador quântico básico com dois qubits. "Do outro lado da distância, realizamos uma operação de computação quântica entre duas configurações de qubit independentes em laboratórios diferentes, “Daiss enfatiza. Isso permite a possibilidade de mesclar computadores quânticos menores em uma unidade de processamento conjunta.

Simplesmente acoplar qubits distantes para gerar emaranhamento entre eles já foi alcançado no passado, mas agora, a conexão também pode ser usada para cálculos quânticos. Para este propósito, os pesquisadores empregaram módulos que consistem em um único átomo como um qubit posicionado entre dois espelhos. Entre esses módulos, eles enviam um único quanta de luz, um fóton, que é transportado na fibra óptica. Esse fóton é então emaranhado com os estados quânticos dos qubits nos diferentes módulos. Subseqüentemente, o estado de um dos qubits é alterado de acordo com o estado medido do "fóton ancilla, "realizando uma operação CNOT de mecânica quântica com uma fidelidade de 80 por cento. O próximo passo seria conectar mais de dois módulos e hospedar mais qubits nos módulos individuais.

Computadores quânticos de alto desempenho por meio de computação distribuída

O líder da equipe e diretor do instituto Gerhard Rempe acredita que o resultado permitirá um avanço adicional na tecnologia:"Nosso esquema abre um novo caminho de desenvolvimento para a computação quântica distribuída." Pode permitir, por exemplo, para construir um computador quântico distribuído que consiste em muitos módulos com poucos qubits que estão interconectados com o método recém-introduzido. Essa abordagem poderia contornar a limitação dos computadores quânticos existentes para integrar mais qubits em uma única configuração e, portanto, permitir sistemas mais poderosos.