Dois físicos da Universidade de Konstanz estão desenvolvendo um método que poderá permitir a troca estável de informações em computadores quânticos. No papel principal:fótons que fazem os bits quânticos “voarem”.



Os computadores quânticos são considerados o próximo grande passo evolutivo na tecnologia da informação. Espera-se que resolvam problemas de computação que os computadores de hoje simplesmente não conseguem resolver – ou que levariam séculos para resolver. Grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando para tornar o computador quântico uma realidade. Isto não é nada fácil, porque os componentes básicos de tal computador, os bits quânticos ou qubits, são extremamente frágeis.

Um tipo de qubit consiste no momento angular intrínseco (spin) de um único elétron, ou seja, eles estão na escala de um átomo. Já é bastante difícil manter intacto um sistema tão frágil. É ainda mais difícil interligar dois ou mais destes qubits. Então, como pode ser alcançada uma troca estável de informações entre qubits?

Qubits voadores

Os dois físicos de Konstanz, Benedikt Tissot e Guido Burkard, desenvolveram agora um modelo teórico de como a troca de informações entre qubits poderia ter sucesso usando fótons como meio de transporte de informações quânticas. A ideia geral é que o conteúdo da informação (estado de spin do elétron) do qubit material seja convertido em um “qubit voador”, ou seja, um fóton. Os fótons são quanta de luz que constituem os blocos básicos de construção do campo de radiação eletromagnética.

A característica especial do novo modelo são as emissões Raman estimuladas que são usadas para converter o qubit em um fóton. Este procedimento permite maior controle sobre os fótons. “Estamos propondo uma mudança de paradigma da otimização do controle durante a geração do fóton para a otimização direta da forma temporal do pulso de luz no qubit voador”, explica Burkard.

Tissot compara o procedimento básico com a Internet:"Em um computador clássico, temos nossos bits, que são codificados em um chip na forma de elétrons. Se quisermos enviar informações por longas distâncias, o conteúdo informativo dos bits é convertido em um sinal de luz que é transmitido através de fibras ópticas."

O princípio da troca de informações entre qubits em um computador quântico é muito semelhante:“Aqui também temos que converter a informação em estados que possam ser facilmente transmitidos – e os fótons são ideais para isso”, explica Tissot.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Research .

Um sistema de três níveis para controlar o fóton

“Precisamos considerar vários aspectos”, diz Tissot. "Queremos controlar a direção em que a informação flui — bem como quando, com que rapidez e para onde ela flui. É por isso que precisamos de um sistema que permita um alto nível de controle."

O método dos pesquisadores torna esse controle possível por meio de emissões Raman estimuladas e aprimoradas por ressonador. Por trás deste termo está um sistema de três níveis, que leva a um procedimento em várias etapas. Esses estágios oferecem aos físicos controle sobre o fóton criado. “Temos aqui ‘mais botões’ que podemos operar para controlar o fóton”, diz Tissot.

A emissão estimulada de Raman é um método estabelecido na física. No entanto, usá-los para enviar estados de qubit diretamente é incomum. O novo método poderá tornar possível equilibrar as consequências das perturbações ambientais e os efeitos colaterais indesejados das rápidas mudanças na forma temporal do pulso de luz, para que o transporte de informação possa ser implementado com mais precisão.

Mais informações: Benedikt Tissot et al, Modelagem eficiente de qubits voadores de alta fidelidade, Pesquisa de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013150
Fornecido pela Universidade de Konstanz