A computação quântica, embora ainda em seus primeiros dias, tem o potencial de aumentar drasticamente o poder de processamento, aproveitando o estranho comportamento das partículas nas menores escalas. Alguns grupos de pesquisa já relataram realizar cálculos que levariam milhares de anos para um supercomputador tradicional. A longo prazo, os computadores quânticos podem fornecer criptografia inquebrável e simulações da natureza além das capacidades atuais.
Uma equipe de pesquisa interdisciplinar liderada pela UCLA, incluindo colaboradores da Universidade de Harvard, desenvolveu agora uma estratégia fundamentalmente nova para construir esses computadores. Embora o estado da arte atual empregue circuitos, semicondutores e outras ferramentas de engenharia elétrica, a equipe produziu um plano de jogo baseado na capacidade dos químicos de projetar blocos de construção atômicos personalizados que controlam as propriedades de estruturas moleculares maiores quando são colocadas juntos.

As descobertas, publicadas na semana passada na revista Nature Chemistry , poderia levar a um salto no poder de processamento quântico.

"A idéia é, em vez de construir um computador quântico, deixar a química construí-lo para nós", disse Eric Hudson, professor presidencial de física David S. Saxon da UCLA e autor correspondente do estudo. “Todos nós ainda estamos aprendendo as regras para esse tipo de tecnologia quântica, então este trabalho é muito sci-fi agora”.

As unidades básicas de informação na computação tradicional são bits, cada um limitado a um de apenas dois valores. Em contraste, um grupo de bits quânticos – ou qubits – pode ter uma gama muito mais ampla de valores, aumentando exponencialmente o poder de processamento de um computador. Mais de 1.000 bits normais são necessários para representar apenas 10 qubits, enquanto 20 qubits requerem mais de 1 milhão de bits.

Essa característica, no centro do potencial transformacional da computação quântica, depende das regras contra-intuitivas que se aplicam quando os átomos interagem. Por exemplo, quando duas partículas interagem, elas podem ficar ligadas ou emaranhadas, de modo que a medição das propriedades de uma determina as propriedades da outra. Emaranhar qubits é um requisito da computação quântica.

No entanto, esse emaranhado é frágil. Quando os qubits encontram variações sutis em seus ambientes, eles perdem sua "quantidade", necessária para implementar algoritmos quânticos. Isso limita os computadores quânticos mais poderosos a menos de 100 qubits, e manter esses qubits em um estado quântico requer grandes máquinas.

Para aplicar a computação quântica na prática, os engenheiros devem aumentar esse poder de processamento. Hudson e seus colegas acreditam que deram um primeiro passo com o estudo, onde a teoria guiou a equipe para fazer moléculas sob medida que protegem o comportamento quântico.

Os cientistas desenvolveram pequenas moléculas que incluem átomos de cálcio e oxigênio e atuam como qubits. Essas estruturas de cálcio-oxigênio formam o que os químicos chamam de grupo funcional, o que significa que ele pode ser conectado a quase qualquer outra molécula, ao mesmo tempo em que confere suas próprias propriedades a essa molécula.

A equipe mostrou que seus grupos funcionais mantinham a estrutura desejada mesmo quando ligados a moléculas muito maiores. Seus qubits também podem resistir ao resfriamento a laser, um requisito fundamental para a computação quântica.

"Se pudermos ligar um grupo funcional quântico a uma superfície ou a alguma molécula longa, poderemos controlar mais qubits", disse Hudson. "Também deveria ser mais barato aumentar a escala, porque um átomo é uma das coisas mais baratas do universo. Você pode fazer quantos quiser."

Além de seu potencial para computação de próxima geração, o grupo funcional quântico pode ser uma bênção para descobertas básicas em química e ciências da vida, por exemplo, ajudando os cientistas a descobrir mais sobre a estrutura e a função de várias moléculas e produtos químicos no corpo humano. .

"Qubits can also be exquisitely sensitive tools for measurement," said study co-author Justin Caram, a UCLA assistant professor of chemistry and biochemistry. "If we could protect them so they can survive in complex environments such as biological systems, we would be armed with so much new information about our world."

Hudson said that the development of a chemically based quantum computer could realistically take decades and is not certain to succeed. Future steps include anchoring qubits to larger molecules, coaxing tethered qubits to interact as processors without unwanted signaling, and entangling them so that they work as a system.

The project was seeded by a Department of Energy grant that gave the physicists and chemists the chance to cut through discipline-specific jargon and speak in a common scientific language. Caram also credits UCLA's atmosphere of easy collaboration.

"This is one of the most intellectually fulfilling projects I've ever worked on," he said. "Eric and I first met having lunch at the Faculty Center. This was born out of fun conversations and being open to talking to new people." + Explorar mais

O computador quântico funciona com mais de zero e um