Os cientistas criaram um processador reprogramável baseado em luz, pioneiro no mundo, que dizem poder inaugurar uma nova era de computação e comunicação quântica.



As tecnologias nestes campos emergentes que operam a nível atómico já estão a obter grandes benefícios para a descoberta de medicamentos e outras aplicações de pequena escala.

No futuro, os computadores quânticos de grande escala prometem ser capazes de resolver problemas complexos que seriam impossíveis para os computadores atuais.

O pesquisador principal, Professor Alberto Peruzzo, da Universidade RMIT, na Austrália, disse que o processador da equipe – um dispositivo fotônico que usa partículas de luz para transportar informações – poderia ajudar a permitir cálculos quânticos bem-sucedidos, minimizando as “perdas de luz”.

“Nosso projeto torna o computador quântico fotônico quântico mais eficiente em termos de perdas de luz, o que é fundamental para poder manter a computação em andamento”, disse Peruzzo, que dirige o nó do Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T). na RMIT.

"Se você perder luz, terá que reiniciar o cálculo."

Outros avanços potenciais incluíram capacidades aprimoradas de transmissão de dados para sistemas de comunicação “invioláveis” e aplicações aprimoradas de detecção em monitoramento ambiental e cuidados de saúde, disse Peruzzo.

O que a equipe conseguiu?

A equipe reprogramou um processador fotônico em uma série de experimentos, alcançando um desempenho equivalente a 2.500 dispositivos, aplicando tensões variadas. Seus resultados e análises são publicados em Nature Communications .

“Esta inovação pode levar a uma plataforma mais compacta e escalável para processadores fotônicos quânticos”, disse Peruzzo.

Yang Yang, autor principal e Ph.D. da RMIT. estudioso disse que o dispositivo era "totalmente controlável", permitia uma reprogramação rápida com consumo de energia reduzido e substituía a necessidade de fabricar muitos dispositivos personalizados.

“Demonstramos experimentalmente diferentes dinâmicas físicas em um único dispositivo”, disse ele.

“É como ter um interruptor para controlar o comportamento das partículas, o que é útil tanto para a compreensão do mundo quântico quanto para a criação de novas tecnologias quânticas.”

O professor Mirko Lobino, da Universidade de Trento, na Itália, criou o inovador dispositivo fotônico usando um cristal chamado niobato de lítio, e o professor Yogesh Joglekar, da Indiana University Purdue University Indianapolis, nos Estados Unidos, trouxe sua experiência em física da matéria condensada.

O niobato de lítio possui propriedades ópticas e eletro-ópticas exclusivas, tornando-o ideal para diversas aplicações em óptica e fotônica.

“Meu grupo esteve envolvido na fabricação do dispositivo, o que foi particularmente desafiador porque tivemos que miniaturizar um grande número de eletrodos no topo dos guias de ondas para atingir esse nível de reconfigurabilidade”, disse Lobino.

"Os processadores fotônicos programáveis ​​oferecem uma nova rota para explorar uma série de fenômenos nesses dispositivos que potencialmente desbloquearão avanços incríveis na tecnologia e na ciência", disse Joglekar.

Outro salto quântico?

Enquanto isso, a equipe de Peruzzo também desenvolveu um sistema híbrido pioneiro no mundo que combina aprendizado de máquina com modelagem para programar processadores fotônicos e ajudar a controlar dispositivos quânticos.

Peruzzo disse que o controle de um computador quântico é crucial para garantir a precisão e a eficiência do processamento de dados.

“Um dos maiores desafios para a precisão de saída do dispositivo é o ruído, que descreve a interferência no ambiente quântico que afeta o desempenho dos qubits”, disse ele.

Qubits são as unidades básicas da computação quântica.

“Há toda uma gama de indústrias que estão desenvolvendo a computação quântica em grande escala, mas ainda lutam contra os erros e ineficiências causados ​​pelo ruído”, disse Peruzzo.

As tentativas de controlar qubits normalmente se baseavam em suposições sobre o que era o ruído e o que o causava, disse Peruzzo.

“Em vez de fazer suposições, desenvolvemos um protocolo que usa aprendizado de máquina para estudar o ruído e, ao mesmo tempo, usa modelagem para prever o que o sistema faz em resposta ao ruído”, disse ele.

Com o uso de processadores fotônicos quânticos, Peruzzo disse que esse método híbrido poderia ajudar os computadores quânticos a funcionar de maneira mais precisa e eficiente, impactando a forma como controlaremos os dispositivos quânticos no futuro.

“Acreditamos que nosso novo método híbrido tem potencial para se tornar a abordagem de controle convencional na computação quântica”, disse Peruzzo.

O autor principal, Akram Youssry, da RMIT, disse que os resultados da abordagem recém-desenvolvida mostraram melhorias significativas em relação aos métodos tradicionais de modelagem e controle, e podem ser aplicados a outros dispositivos quânticos além dos processadores fotônicos.

“O método nos ajudou a descobrir e compreender aspectos de nossos dispositivos que estão além dos modelos físicos conhecidos desta tecnologia”, disse ele.

"Isso nos ajudará a projetar dispositivos ainda melhores no futuro."

"Identificação e controle experimental do sistema quântico de caixa cinza" foi publicado em npj Quantum Information .

Próximas etapas

Peruzzo disse que empresas iniciantes em computação quântica poderiam ser criadas em torno do design de dispositivos fotônicos e do método de controle quântico de sua equipe, que continuariam a estudar em termos de aplicações e seu “potencial total”.

“A fotônica quântica é uma das indústrias quânticas mais promissoras porque a indústria fotônica e a infraestrutura de fabricação estão muito bem estabelecidas”, disse ele.

"Algoritmos de aprendizado de máquina quântico têm vantagens potenciais sobre outros métodos em determinadas tarefas, especialmente quando se trata de grandes conjuntos de dados."

“Imagine um mundo onde os computadores funcionem milhões de vezes mais rápido do que hoje, onde possamos enviar informações com segurança, sem medo de serem interceptadas, e onde possamos resolver problemas em segundos que atualmente levariam anos”.

“Isto não é apenas fantasia – é o futuro potencial alimentado por tecnologias quânticas e pesquisas como a nossa estão abrindo o caminho.”

Mais informações: Akram Youssry et al, Identificação e controle experimental de sistema quântico de caixa cinza, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5
Yang Yang et al, Hamiltoniano programável de alta dimensão em uma matriz de guia de ondas fotônicas, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44185-z

Informações do diário: Comunicações da Natureza , Informação Quântica npj

Fornecido pela Universidade RMIT