Embora os computadores quânticos sejam uma tecnologia jovem e ainda não estejam prontos para o uso prático de rotina, os pesquisadores já estão investigando as restrições teóricas que limitarão as tecnologias quânticas. Uma das coisas que os pesquisadores descobriram é que há limites para a rapidez com que as informações quânticas podem percorrer qualquer dispositivo quântico.

Esses limites de velocidade são chamados de limites de Lieb-Robinson, e, por muitos anos, alguns dos limites provocaram pesquisadores. Para certas tarefas, havia uma lacuna entre as melhores velocidades permitidas pela teoria e as velocidades possíveis com os melhores algoritmos que alguém havia projetado. É como se nenhum fabricante de automóveis pudesse descobrir como fazer um modelo que atingisse o limite da rodovia local.

Mas, ao contrário dos limites de velocidade nas estradas, os limites de velocidade da informação não podem ser ignorados quando você está com pressa - eles são os resultados inevitáveis ​​das leis fundamentais da física. Para qualquer tarefa quântica, há um limite para a rapidez com que as interações podem fazer sentir sua influência (e, assim, transferir informações) a uma certa distância. As regras subjacentes definem o melhor desempenho possível. Desta maneira, os limites de velocidade da informação são mais parecidos com a pontuação máxima em um jogo de arcade da velha escola do que com as leis de trânsito, e alcançar a pontuação final é um prêmio atraente para os cientistas.

Agora uma equipe de pesquisadores, liderado por JQI Fellow Alexey Gorshkov, encontraram um protocolo quântico que atinge os limites teóricos de velocidade para certas tarefas quânticas. Seu resultado fornece uma nova visão sobre o projeto de algoritmos quânticos ideais e prova que não houve um menor, limite não descoberto que frustra as tentativas de fazer projetos melhores. Gorshkov, que também é membro do Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) e físico do National Institute of Standards and Technology, e seus colegas apresentaram seu novo protocolo em um artigo recente publicado na revista Revisão Física X .

"Essa lacuna entre as velocidades máximas e as velocidades alcançáveis ​​estava nos incomodando, porque não sabíamos se era o limite que estava solto, ou se não formos inteligentes o suficiente para melhorar o protocolo, "diz Minh Tran, um estudante de pós-graduação JQI e QuICS que foi o autor principal do artigo. "Na verdade, não esperávamos que esta proposta fosse tão poderosa. E estávamos tentando muito melhorar o limite - descobrimos que isso não foi possível. estamos entusiasmados com este resultado. "

Sem surpresa, o limite de velocidade teórico para enviar informações em um dispositivo quântico (como um computador quântico) depende da estrutura subjacente do dispositivo. O novo protocolo é projetado para dispositivos quânticos onde os blocos de construção básicos - qubits - influenciam uns aos outros, mesmo quando não estão próximos uns dos outros. Em particular, a equipe projetou o protocolo para qubits que têm interações que se enfraquecem à medida que a distância entre eles aumenta. O novo protocolo funciona para uma gama de interações que não enfraquecem muito rapidamente, que cobre as interações em muitos blocos de construção práticos de tecnologias quânticas, incluindo centros de vacância de nitrogênio, Átomos de Rydberg, moléculas polares e íons aprisionados.

Crucialmente, o protocolo pode transferir informações contidas em um estado quântico desconhecido para um qubit distante, um recurso essencial para alcançar muitas das vantagens prometidas pelos computadores quânticos. Isso limita a maneira como as informações podem ser transferidas e exclui algumas abordagens diretas, como apenas criar uma cópia das informações no novo local. (Isso requer o conhecimento do estado quântico que você está transferindo.)

No novo protocolo, os dados armazenados em um qubit são compartilhados com seus vizinhos, usando um fenômeno chamado entrelaçamento quântico. Então, uma vez que todos esses qubits ajudam a transportar as informações, eles trabalham juntos para espalhá-lo para outros conjuntos de qubits. Porque mais qubits estão envolvidos, eles transferem as informações ainda mais rapidamente.

Este processo pode ser repetido para continuar gerando blocos maiores de qubits que passam as informações cada vez mais rápido. Então, em vez do método direto de qubits passando informações um por um, como um time de basquete passando a bola pela quadra, os qubits são mais como flocos de neve que se combinam em uma bola de neve maior e mais rápida a cada etapa. E quanto maior a bola de neve, quanto mais flocos grudam em cada revolução.

Mas talvez seja aí que terminam as semelhanças com as bolas de neve. Ao contrário de uma bola de neve real, a coleção quântica também pode se desenrolar. A informação é deixada no qubit distante quando o processo é executado ao contrário, retornando todos os outros qubits aos seus estados originais.

Quando os pesquisadores analisaram o processo, eles descobriram que os qubits em forma de bola de neve aceleram ao longo das informações nos limites teóricos permitidos pela física. Uma vez que o protocolo atinge o limite comprovado anteriormente, nenhum protocolo futuro deve ser capaz de superá-lo.

"O novo aspecto é a maneira como enredamos dois blocos de qubits, "Tran diz." Anteriormente, havia um protocolo que confundia as informações em um bloco e então tentava mesclar os qubits do segundo bloco nele um por um. Mas agora, porque nós também emaranhamos os qubits no segundo bloco antes de fundi-los no primeiro bloco, o aprimoramento será maior. "

O protocolo é o resultado da equipe explorando a possibilidade de mover simultaneamente informações armazenadas em vários qubits. Eles perceberam que o uso de blocos de qubits para mover informações aumentaria a velocidade de um protocolo.

"Do lado prático, o protocolo nos permite não apenas propagar informações, mas também emaranhar partículas mais rápido, "Tran diz." E sabemos que usando partículas emaranhadas você pode fazer muitas coisas interessantes, como medir e detectar com uma precisão maior. E mover informações rapidamente também significa que você pode processá-las com mais rapidez. Existem muitos outros gargalos na construção de computadores quânticos, mas pelo menos no lado dos limites fundamentais, sabemos o que é possível e o que não é. "

Além dos insights teóricos e possíveis aplicações tecnológicas, os resultados matemáticos da equipe também revelam novas informações sobre o quão grande uma computação quântica precisa ser para simular partículas com interações como as dos qubits no novo protocolo. Os pesquisadores esperam explorar os limites de outros tipos de interação e explorar aspectos adicionais do protocolo, como sua robustez contra ruídos que interrompem o processo.