A computação quântica e a detecção quântica têm o potencial de ser muito mais poderosos do que seus equivalentes clássicos. Não apenas um computador quântico totalmente realizado poderia levar apenas alguns segundos para resolver equações que levariam um computador clássico de milhares de anos, mas pode ter impactos incalculáveis ​​em áreas que vão desde imagens biomédicas até direção autônoma.

Contudo, a tecnologia ainda não está lá.

Na verdade, apesar das teorias difundidas sobre o impacto de longo alcance das tecnologias quânticas, muito poucos pesquisadores foram capazes de demonstrar, usando a tecnologia disponível agora, que os métodos quânticos têm uma vantagem sobre suas contrapartes clássicas.

Em artigo publicado em 1º de junho na revista Revisão Física X , Pesquisadores da Universidade do Arizona mostram experimentalmente que o quantum tem uma vantagem sobre os sistemas de computação clássicos.

"Demonstrar uma vantagem quântica é uma meta muito procurada na comunidade, e muito poucos experimentos foram capazes de mostrar isso, "disse o co-autor do artigo Zheshen Zhang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, investigador principal do UArizona Quantum Information and Materials Group e um dos autores do artigo. "Estamos procurando demonstrar como podemos alavancar a tecnologia quântica que já existe para beneficiar as aplicações do mundo real."

Como (e quando) Quantum funciona

A computação quântica e outros processos quânticos dependem de minúsculos, unidades poderosas de informação chamadas qubits. Os computadores clássicos que usamos hoje funcionam com unidades de informação chamadas bits, que existem como 0s ou 1s, mas os qubits são capazes de existir nos dois estados ao mesmo tempo. Essa dualidade os torna poderosos e frágeis. Os delicados qubits estão propensos a entrar em colapso sem aviso, tornar um processo denominado correção de erros - que aborda esses problemas conforme eles acontecem - muito importante.

O campo quântico está agora em uma era em que John Preskill, um físico renomado do Instituto de Tecnologia da Califórnia, denominado "quantum de escala intermediária ruidosa, "ou NISQ. Na era NISQ, computadores quânticos podem realizar tarefas que requerem apenas cerca de 50 a algumas centenas de qubits, embora com uma quantidade significativa de ruído, ou interferência. Mais do que isso e o barulho supera a utilidade, fazendo com que tudo desmorone. É amplamente aceito que 10, Seriam necessários 000 a vários milhões de qubits para realizar aplicações quânticas praticamente úteis.

Imagine inventar um sistema que garanta que todas as refeições que você cozinhar sairão perfeitas, e depois dar esse sistema a um grupo de crianças que não tem os ingredientes certos. Vai ser ótimo em alguns anos, uma vez que as crianças se tornem adultas e possam comprar o que precisam. Mas até então, a utilidade do sistema é limitada. De forma similar, até que os pesquisadores avancem no campo da correção de erros, o que pode reduzir os níveis de ruído, os cálculos quânticos são limitados a uma pequena escala.

Vantagens de Entanglement

O experimento descrito no artigo usou uma mistura de técnicas clássicas e quânticas. Especificamente, ele usava três sensores para classificar a amplitude e o ângulo médios dos sinais de radiofrequência.

Os sensores foram equipados com outro recurso quântico chamado emaranhamento, o que permite que eles compartilhem informações entre si e oferece dois benefícios principais:primeiro, melhora a sensibilidade dos sensores e reduz erros. Segundo, porque eles estão enredados, os sensores avaliam propriedades globais em vez de coletar dados sobre partes específicas de um sistema. Isso é útil para aplicativos que precisam apenas de uma resposta binária; por exemplo, em imagens médicas, os pesquisadores não precisam saber sobre cada célula em uma amostra de tecido que não seja cancerosa - apenas se há uma célula cancerosa. O mesmo conceito se aplica à detecção de produtos químicos perigosos na água potável.

O experimento demonstrou que equipar os sensores com emaranhamento quântico deu a eles uma vantagem sobre os sensores clássicos, reduzindo a probabilidade de erros por uma margem pequena, mas crítica.

"Essa ideia de usar o emaranhamento para melhorar os sensores não se limita a um tipo específico de sensor, para que pudesse ser usado para uma variedade de aplicações diferentes, contanto que você tenha o equipamento para enredar os sensores, "disse o co-autor do estudo Quntao Zhuang, professor assistente de engenharia elétrica e da computação e investigador principal do Grupo de Teoria da Informação Quântica "Em teoria, você pode considerar aplicativos como lidar (Light Detection and Ranging) para carros autônomos, por exemplo."

Zhuang e Zhang desenvolveram a teoria por trás do experimento e a descreveram em um artigo da Physical Review X de 2019. Eles foram coautores do novo artigo com o autor principal Yi Xia, estudante de doutorado na Faculdade de Ciências Óticas James C. Wyant, e Wei Li, um pesquisador de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais.

Classificadores Qubit

Existem aplicativos que usam uma mistura de processamento quântico e clássico na era NISQ, mas eles dependem de conjuntos de dados clássicos preexistentes que devem ser convertidos e classificados no domínio quântico. Imagine tirar uma série de fotos de cães e gatos, em seguida, enviar as fotos para um sistema que usa métodos quânticos para rotular as fotos como "gato" ou "cachorro".

A equipe está lidando com o processo de rotulagem de um ângulo diferente, usando sensores quânticos para coletar seus próprios dados em primeiro lugar. É mais como usar uma câmera quântica especializada que rotula as fotos como "cachorro" ou "gato" conforme as fotos são tiradas.

"Muitos algoritmos consideram os dados armazenados em um disco de computador, e então converter isso em um sistema quântico, o que leva tempo e esforço, "Zhuang disse." Nosso sistema trabalha em um problema diferente, avaliando processos físicos que estão acontecendo em tempo real. "

A equipe está entusiasmada com as futuras aplicações de seu trabalho na interseção do sensor quântico e da computação quântica. Eles até imaginam um dia integrar toda a configuração experimental em um chip que poderia ser mergulhado em um biomaterial ou amostra de água para identificar doenças ou produtos químicos prejudiciais.

"Achamos que é um novo paradigma para a computação quântica, aprendizado de máquina quântica e sensores quânticos, porque realmente cria uma ponte para interconectar todos esses domínios diferentes, "Disse Zhang.