Nas profundezas do espaço sideral, mãos invisíveis moldam o universo. Uma delas é a matéria escura, uma substância invisível que se acredita ligar galáxias distantes. A outra é a energia escura, uma força que se acredita separar as estruturas estelares com uma força que desafia a gravidade.



Procurando por sinais dessas estranhas influências cósmicas, os cientistas do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, projetaram um dispositivo para medir seus supostos efeitos nos elétrons em rotação. Então, eles perceberam que a ideia era promissora em outro domínio:a computação quântica.

Os computadores quânticos são a próxima fronteira na tecnologia da informação. Antes confinadas à teoria distante e à ficção científica, essas máquinas aproveitam as forças malucas e maravilhosas do mundo submicroscópico para resolver problemas que podem ser difíceis demais para os computadores clássicos - pense em 1s e 0s - e até mesmo para os enormes supercomputadores de escala extrema de hoje.

A crescente procura global deu enormes saltos nos últimos anos, com grandes empresas tecnológicas, startups e governos a perseguirem um conjunto misto de plataformas – cada uma com pontos fortes e fracos. Mas devido à mecânica delicada em que estes sistemas operam, a busca de décadas para colocá-los em uso prático e confiável tem se mostrado ilusória até agora.

Agora, uma equipe liderada pelo Jefferson Lab está jogando seu chapéu no proverbial "CPU" exclusivo nascido da tecnologia de acelerador de partículas e do estudo do universo visível. Ele poderia rivalizar ou até superar alguns dos protótipos barulhentos e ávidos de energia que estão sendo explorados.

“Estamos encontrando novos caminhos para a nossa experiência existente em física nuclear”, disse Riad Suleiman, o principal investigador do estudo. "Nosso objetivo é abrir uma nova era de pesquisa em computação quântica no Jefferson Lab."

Anel familiar

Suleiman é especialista em injetores, dispositivos que imbuem aceleradores de partículas com seus feixes. Ele começou a trabalhar no Jefferson Lab como estudante da Kent State University em 1995 e ingressou na equipe em tempo integral em 2007, após períodos de pós-doutorado no MIT e na Virginia Tech. Suleiman juntou-se a Vasiliy Morozov, ex-físico de aceleradores do Jefferson Lab que trabalha no Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE, e Matt Grau, especialista em computação quântica de íons aprisionados da Old Dominion University.

Uma patente completa foi registrada em seu “núcleo” de computação quântica, que envolve capturar átomos carregados (íons) e injetá-los em uma linha de luz em forma de oito. Este anel selado a vácuo de aço inoxidável foi projetado para manter a rotação dos íons enquanto eles circulam. Armazenados dessa forma, os átomos podem atuar como bits quânticos – qubits, para abreviar.

O projeto começou em 2022 no programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) do Jefferson Lab, mas sua história é antiga.

Morozov passou mais de uma década no Jefferson Lab antes de ingressar em Oak Ridge em 2020. Ele esteve envolvido nos primeiros conceitos de design do Electron-Ion Collider (EIC), um acelerador de partículas de próxima geração que está sendo construído no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE em parceria com Laboratório Jefferson.

Um dos projetos do EIC envolvia linhas de luz em forma de oito, incluindo um anel para armazenar elétrons antes que eles colidissem com íons acelerados.

“O desafio em alguns aceleradores é fazer com que o spin de todas as partículas aponte na mesma direção”, disse Morozov, que ainda está envolvido no EIC. “É preciso mantê-los alinhados porque, se não tomar cuidado, você acaba com uma orientação completamente caótica. O número oito foi proposto como uma forma universal de manter esse alinhamento para experimentos de precisão.”

A seleção final de EIC do DOE foi um design predominantemente circular, mas o modelo em forma de oito não foi descartado. Suleiman e Morozov formaram uma equipe para explorar outro uso para esses novos anéis:a busca por pistas sobre a origem e a estrutura do universo.

O mundo físico deve sua existência a um excesso de matéria sobre a antimatéria, e Suleiman disse que os anéis em forma de oito são um lugar ideal para medir as propriedades dos elétrons que poderiam explicar esse desequilíbrio. Girando dentro desses anéis, espera-se também que as partículas elementares sejam hipersensíveis a forças hipotéticas relacionadas à matéria escura e à energia escura.

Durante esta pesquisa, a equipe de Suleiman imaginou outro uso para os anéis.

“Foi assim que a ideia ganhou vida”, disse Suleiman.

Reino Quântico

Os computadores quânticos não necessariamente proporcionam uma CPU mais rápida ou menor, então você não encontrará uma em sua mesa – ou colo – tão cedo. Eles apenas têm acesso a um espaço computacional diferente.

“Para alguns dos problemas mais difíceis que os supercomputadores estão enfrentando hoje, existe potencial para os computadores quânticos resolvê-los de forma extremamente eficiente”, disse Grau.

Os campos que poderiam se beneficiar incluem criptografia, ciência de dados, algoritmos de busca e inteligência artificial. Outra é a modelagem de sistemas quânticos, como nanomateriais, química quântica, óptica quântica e teorias quânticas de campos.

“Acontece que esses computadores são muito bons na resolução de problemas de física quântica”, disse Grau. "Isso é realmente útil se você quiser simular os caminhos de certas reações químicas ou como uma proteína interessante em uma droga pode funcionar. Em vez de tentar em um béquer, você pode tentar em um computador que fala naturalmente a linguagem da mecânica quântica. ."

Qubits podem ser comparados aos bits binários de um computador clássico. Mas em vez de representar apenas 1 ou 0, eles podem representar muitos estados computáveis ​​diferentes simultaneamente através da estranha propriedade quântica da superposição. Seu poder de processamento pode ser ainda mais amplificado unindo-os por meio de outro recurso quântico peculiar chamado emaranhamento.

O emaranhamento é uma estranheza fundamental dos sistemas quânticos nos quais os estados físicos das partículas, como o spin, podem ser diretamente correlacionados – em princípio, mesmo que estejam separados por anos-luz. Isto pode ser conseguido dentro de uma armadilha que confina os íons – neste caso, o itérbio – usando um campo elétrico oscilante. A armadilha está sob vácuo ultra-alto e é resfriada a temperaturas mais frias que o espaço profundo.

"Um milionésimo de grau acima do zero absoluto é onde todo o movimento foi basicamente congelado e essas partículas estão completamente imóveis", disse Grau. "Com essas temperaturas muito baixas, você pode obter um controle extremo. Isso é fundamental para a operação de computadores quânticos."

A partir daí, uma combinação de campos elétricos estáticos e variáveis ​​no tempo injeta os íons no anel.

Classificação oito

Grandes empresas de tecnologia como Amazon, Google, Microsoft e IBM estão explorando a computação quântica baseada em supercondutores, e outra equipe do Jefferson Lab está fazendo parceria com o setor privado para explorar a eletrônica digital supercondutora com eficiência energética ultra-eficiente. Outras empresas e startups estão investigando átomos neutros, íons aprisionados e fotônica, mas não está claro qual tecnologia se separará do pacote.

Indiscutivelmente, o requisito mais crítico de um computador quântico é que ele seja uma “caixa fechada”, o que significa que deve ser isolado do resto do universo. Interferências externas ou vazamento de informações internas podem perturbar o mar espumoso de probabilidades em que o computador opera.

O isolamento através da prevenção e cancelamento de interações externas permite que os íons mantenham seus estados quânticos. Essa qualidade é chamada de coerência e deve durar o suficiente para que o computador execute seus algoritmos complexos.

Graças ao vácuo da linha de luz e ao cancelamento natural dos efeitos de rotação em um layout em forma de oito, espera-se que tal anel ofereça tempos de coerência superiores a três horas. Como na franquia “Homem-Formiga” do Universo Cinematográfico Marvel, três horas é uma vida inteira no mundo quântico – e essa vida supera em muito o atual estado da arte.

Para efeito de comparação, o computador supercondutor Condor da IBM oferece tempos de coerência de cerca de 200 microssegundos, e o sistema de 216 qubits do Xanadu pode durar cerca de 34 milissegundos sem descoerência. O sistema de íons aprisionados H2 da Quantinuum tem um desempenho um pouco melhor do que essas plataformas com coerência superior a 100 segundos, e a plataforma de átomo neutro da Atom Computing tem um intervalo de 40 segundos.

Espera-se também que o anel em forma de oito supere esses sistemas no número de qubits que pode armazenar. Com cerca de 12 metros de comprimento e 6 metros de largura – aproximadamente a área de um pequeno apartamento – esses anéis poderiam acumular até 3.000 qubits. Eles podem aumentar ainda mais empilhando vários anéis, disse Suleiman. O grande número de qubits ajudaria muito na tolerância a falhas e na correção de erros.

“Ser capaz de calcular com precisão com correção de erros geralmente significa que você precisa de muito mais qubits do que seria necessário para satisfazer as necessidades do seu algoritmo”, disse Grau. “Portanto, o dimensionamento é realmente, no final das contas, o grande desafio que todos os computadores quânticos têm de enfrentar.”

Enquanto isso, o Condor da IBM opera em 1.121 qubits e a máquina de átomo neutro da Atom Computing tem 1.180. O H2 da Quantinuum usa atualmente 32 qubits, assim como o sistema de íons aprisionados Forte da IonQ.

O Brookhaven Lab também está examinando anéis de armazenamento para computação quântica, mas seu modelo patenteado tem design elíptico e depende de resfriamento extremo por feixe. Enquanto isso, a equipe de Suleiman está à beira de uma patente completa para seu oito, que tira vantagem de efeitos de spin quântico bastante robustos, não envolvendo características quânticas difíceis de obter do movimento orbital da partícula.

"O anel de armazenamento em forma de oito foi desenvolvido simplesmente para preservar os spins das partículas", disse Suleiman. "É um conceito muito simples, mas que se revelou frutífero quando aplicado em diferentes áreas. Se começarmos a demonstrar as suas capacidades, poderemos um dia trabalhar com uma empresa para desenvolver ainda mais a ideia."

Fornecido por Thomas Jefferson National Accelerator Facility