Computadores quânticos, máquinas que aproveitam estados quânticos para realizar cálculos e armazenar dados, podem em breve revolucionar a indústria de computação, alcançando velocidades e desempenho significativamente maiores do que os computadores existentes. Embora inúmeras empresas em todo o mundo, incluindo Google e IBM, bem como startups menores, tenham começado a trabalhar em tecnologias quânticas, a arquitetura exata que levará à produção em massa ainda não está clara.
Pesquisadores da Universidade Leibniz de Hannover conduziram recentemente um estudo teórico investigando a possibilidade de realizar portões de qubit voadores para computadores quânticos que são insensíveis às formas de onda dos fótons e também preservam totalmente essas formas durante o processamento. Seu artigo, publicado em Physical Review Letters , poderia servir como base para o desenvolvimento de novas portas que podem processar pacotes de ondas fotônicas emaranhados de forma mais eficaz do que os não emaranhados.

“Existem várias arquiteturas candidatas para o desenvolvimento da tecnologia quântica, incluindo supercondutores, armadilhas de íons, estado sólido, óptica e assim por diante”, disse Ihar Babushkin, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Independentemente da arquitetura que consideramos, os fótons, os quanta de luz, terão um papel importante, já que em quase todas as arquiteturas os mediadores entre os bits de informação quântica (qubits) são fótons”.

Os computadores quânticos ópticos ficam aqui separadamente, pois os fótons não apenas mediam a interação entre os qubits; eles também são qubits. Como os fótons não são afetados pela decoerência (ou seja, um processo pelo qual o ambiente interage com os qubits e altera seus estados quânticos, causando a perda de informações que estão armazenando), eles são ideais para transportar informações quânticas com segurança.

"Para os fótons, a decoerência não é um problema porque os fótons não interagem com os fótons e mal interagem com a matéria", explicou Babushkin. “No entanto, isso se torna um problema assim que queremos manipular fótons:a falta de interação dificulta a manipulação de fótons e, portanto, dificulta a realização de cálculos quânticos. o processamento de informações é extremamente atraente, se puder ser realizado, pois pode ser feito à temperatura ambiente."

Uma abordagem existente para o processamento de informações fotônicas é conhecida como "computação baseada em medição". Essa abordagem requer apenas elementos lineares, como divisores de feixe e a medição de fótons auxiliares.

Um método alternativo é a conversão coerente de fótons (CPC). Esta é uma técnica que amplifica interações ópticas não lineares, processos através dos quais quatro ondas são misturadas entre fótons, usando um poderoso feixe de laser adicional.

Apesar de suas diferenças, essas duas abordagens diferentes compartilham uma limitação comum. Especificamente, ambos, como se acreditava até agora, requerem fótons de entrada que são "idênticos" (ou seja, indistinguíveis e não correlacionados entre si no tempo e no espaço).

"Esse requisito é necessário porque, caso contrário, os fótons se tornam distinguíveis, quebrando sua interferência quântica", disse Babushkin. "Esta é uma limitação severa, pois exige que todos os fótons sejam produzidos com fontes de fótons completamente independentes, mas idênticas. Produzir muitos fótons idênticos não é uma tarefa fácil."

Em seu artigo, Babushkin e seus colegas mostraram que isso poderia ser alcançado usando uma variante do método CPC. Mais especificamente, eles demonstraram teoricamente que o CPC poderia ser usado para realizar portões de qubit voadores que funcionam igualmente bem para fótons correlacionados, não idênticos e distinguíveis, preservando suas propriedades fotônicas espaço-temporais durante a operação. Para fazer isso, eles usaram uma variante da abordagem CPC proposta por uma equipe da Macquarie University e do Imperial College.

"Nesta abordagem, tanto os fótons que interagem quanto a forte bomba de laser se propagam com diferentes velocidades e se encontram em algum ponto", disse Babushkin. "Mostramos que, neste caso, a interação do fóton aparece na forma de uma frente de interação nítida, que pode ser tão pequena quanto centenas de attossegundos no tempo (um attosegundo é 10 ^-18 de segundo) e poucos nanômetros no espaço. O tamanho desta frente é determinado pela velocidade máxima com que os átomos podem reagir à excitação óptica."

Babushkin e seus colegas mostraram que, usando sua abordagem, assim que a forma de onda (ou seja, forma de pulso) dos fótons que interagem é muito maior do que a escala de attossegundos, que é sempre o caso de frequências ópticas, as partes separadas das formas de onda fotônicas são processados ​​de forma independente. Como resultado, a forma de onda dos fótons no sistema permanece intocada.

"Acreditamos que nossa principal conquista é que mostramos que é possível criar portões que funcionam de maneira independente e tolerante à forma de onda", disse Babushkin. "Tal possibilidade não era evidente, ao contrário, acreditava-se que tais portões eram impossíveis."

No futuro, a hipótese apresentada por essa equipe de pesquisadores poderá ser testada experimentalmente em laboratório, para confirmar se suas previsões teóricas são verdadeiras. Se forem, seu trabalho pode abrir caminho para o desenvolvimento de sistemas de processamento de informações fotônicas com melhor desempenho.

"Como próximo passo em nossa pesquisa, tentaremos realizar experimentalmente as noções teóricas que introduzimos", acrescentou Babushkin. "Se tivermos sucesso, estenderemos nosso resultado de porta única para toda a estrutura em que todos os cálculos são feitos de maneira tolerante à forma de onda. Em um futuro mais distante, isso pode levar a uma realização mais fácil de computadores quânticos puramente fotônicos." + Explorar mais

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