p Uma pesquisa da McKelvey School of Engineering da Washington University em St. Louis encontrou uma peça que faltava no quebra-cabeça da computação quântica óptica. p Jung-Tsung Shen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, desenvolveu uma determinística, porta lógica quântica de dois bits de alta fidelidade que aproveita as vantagens de uma nova forma de luz. Esta nova porta lógica é muito mais eficiente do que a tecnologia atual.

p "No caso ideal, a fidelidade pode chegar a 97%, "Shen disse.

p Sua pesquisa foi publicada em maio de 2021 na revista Revisão Física A .

p O potencial dos computadores quânticos está vinculado às propriedades incomuns de superposição - a capacidade de um sistema quântico de conter muitas propriedades distintas, ou estados, ao mesmo tempo - e emaranhamento - duas partículas agindo como se estivessem correlacionadas de uma maneira não clássica, apesar de serem fisicamente removidos um do outro.

p Onde a voltagem determina o valor de um bit (1 ou 0) em um computador clássico, pesquisadores costumam usar elétrons individuais como "qubits, "o equivalente quântico. Os elétrons têm várias características que se adaptam bem à tarefa:eles são facilmente manipulados por um campo elétrico ou magnético e interagem entre si. A interação é um benefício quando você precisa de dois bits para serem emaranhados - deixando a natureza selvagem da mecânica quântica se manifestam.

p Mas sua propensão para interagir também é um problema. Tudo, desde campos magnéticos dispersos a linhas de energia, pode influenciar os elétrons, tornando-os realmente difíceis de controlar.

p Nas últimas duas décadas, Contudo, alguns cientistas têm tentado usar fótons como qubits em vez de elétrons. "Se os computadores vão ter um verdadeiro impacto, precisamos olhar para criar a plataforma usando luz, "Shen disse.

p Os fótons não têm carga, o que pode levar a problemas opostos:eles não interagem com o ambiente como os elétrons, mas também não interagem entre si. Também tem sido um desafio projetar e criar interações inter-fótons ad hoc (eficazes). Ou assim foi o pensamento tradicional.

p Menos de uma década atrás, cientistas trabalhando neste problema descobriram que, mesmo que eles não estivessem emaranhados ao entrar em uma porta lógica, o ato de medir os dois fótons ao sair levou-os a se comportar como se o tivessem feito. As características únicas de medição são outra manifestação selvagem da mecânica quântica.

p "A mecânica quântica não é difícil, mas é cheio de surpresas, "Shen disse.

p A descoberta da medição foi inovadora, mas não mudou totalmente o jogo. Isso porque para cada 1, 000, 000 fótons, apenas um par ficou emaranhado. Os pesquisadores, desde então, tiveram mais sucesso, mas, Shen disse, "Ainda não é bom o suficiente para um computador, "que tem que realizar milhões a bilhões de operações por segundo.

p Shen foi capaz de construir uma porta lógica quântica de dois bits com tanta eficiência por causa da descoberta de uma nova classe de estados fotônicos quânticos - dímeros fotônicos, fótons emaranhados no espaço e na frequência. Sua previsão da existência deles foi validada experimentalmente em 2013, e desde então ele tem encontrado aplicações para esta nova forma de luz.

p Quando um único fóton entra em uma porta lógica, nada de notável acontece - ele entra e sai. Mas quando há dois fótons, "Foi quando previmos que os dois poderiam criar um novo estado, dímeros fotônicos. Acontece que esse novo estado é crucial. "

p Matematicamente, há muitas maneiras de projetar uma porta lógica para operações de dois bits. Esses designs diferentes são chamados de equivalentes. A porta lógica específica que Shen e seu grupo de pesquisa projetaram é a porta de fase controlada (ou porta Z controlada). A principal função da porta de fase controlada é que os dois fótons que saem estão no estado negativo dos dois fótons que entraram.

p "Em circuitos clássicos, não há sinal de menos, "Shen disse." Mas na computação quântica, Acontece que o sinal de menos existe e é crucial. "

p Quando dois fótons independentes (representando dois qubits ópticos) entram na porta lógica, "O design da porta lógica é tal que os dois fótons podem formar um dímero fotônico, "Shen disse." Acontece que o novo estado fotônico quântico é crucial, pois permite que o estado de saída tenha o sinal correto que é essencial para as operações lógicas ópticas. "

p Shen tem trabalhado com a Universidade de Michigan para testar seu projeto, que é uma porta lógica de estado sólido - que pode operar sob condições moderadas. Até aqui, ele diz, os resultados parecem positivos.

p Shen diz este resultado, embora desconcertante para a maioria, é claro como o dia para quem sabe.

p "É como um quebra-cabeça, "disse ele." Pode ser complicado de fazer, mas uma vez feito, apenas olhando para ele, você saberá que está correto. "