A corrida para desenvolver computadores quânticos realmente esquentou nos últimos anos. Sistemas de última geração agora podem executar algoritmos simples usando dezenas de qubits – ou bits quânticos – que são os blocos de construção dos computadores quânticos.



Muito desse sucesso foi alcançado nos chamados computadores quânticos baseados em portas. Esses computadores usam componentes físicos, principalmente circuitos supercondutores, para hospedar e controlar os qubits. Esta abordagem é bastante semelhante aos computadores clássicos convencionais baseados em dispositivos. As duas arquiteturas de computação são, portanto, relativamente compatíveis e podem ser usadas juntas. Além disso, os futuros computadores quânticos poderiam ser fabricados aproveitando as tecnologias utilizadas para fabricar computadores convencionais.

Mas a equipe de pesquisa em computação quântica óptica do Centro RIKEN de computação quântica tem adotado uma abordagem muito diferente. Em vez de otimizar computadores quânticos baseados em portas, Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa e o líder da equipe Akira Furusawa têm desenvolvido computação quântica baseada em medições.

Computação baseada em medição

Os computadores quânticos baseados em medição processam informações em um estado quântico complexo conhecido como estado de cluster, que consiste em três (ou mais) qubits ligados entre si por um fenômeno não clássico chamado emaranhamento. O emaranhamento ocorre quando as propriedades de duas ou mais partículas quânticas permanecem ligadas, mesmo quando separadas por grandes distâncias.

Os computadores quânticos baseados em medição funcionam fazendo uma medição no primeiro qubit no estado do cluster. O resultado desta medição determina qual medição realizar no segundo qubit emaranhado, um processo chamado feedforward. Isso então determina como medir o terceiro. Desta forma, qualquer porta ou circuito quântico pode ser implementado através da escolha adequada da série de medições.

Esquemas baseados em medição são muito eficientes quando usados ​​em computadores quânticos ópticos, pois é fácil emaranhar um grande número de estados quânticos em um sistema óptico. Isso torna um computador quântico baseado em medição potencialmente mais escalável do que um computador quântico baseado em portas. Para este último, os qubits precisam ser fabricados com precisão e ajustados para uniformidade e conectados fisicamente entre si. Esses problemas são resolvidos automaticamente usando um computador quântico óptico baseado em medição.

É importante ressaltar que a computação quântica baseada em medição oferece programabilidade em sistemas ópticos. “Podemos mudar a operação apenas alterando a medição”, diz Sakaguchi. "Isso é muito mais fácil do que mudar o hardware, como os sistemas baseados em portas exigem em sistemas ópticos."

Mas o feedforward é essencial. “Feedforward é uma metodologia de controle na qual alimentamos os resultados da medição para uma parte diferente do sistema como forma de controle”, explica Sakaguchi. "Na computação quântica baseada em medição, o feedforward é usado para compensar a aleatoriedade inerente às medições quânticas. Sem operações feedforward, a computação quântica baseada em medição torna-se probabilística, enquanto a computação quântica prática precisará ser determinística."

A equipe de pesquisa em computação quântica óptica e seus colegas de trabalho - da Universidade de Tóquio, da Universidade Palacký na República Tcheca, da Universidade Nacional Australiana e da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália - demonstraram agora uma forma mais avançada de feedforward:não linear feedforward. O feedforward não linear é necessário para implementar toda a gama de portas potenciais em computadores quânticos baseados em óptica. As descobertas foram publicadas na revista Nature Communications .

"Agora demonstramos experimentalmente a medição de quadratura não linear usando uma nova tecnologia feedforward não linear", explica Sakaguchi. "Este tipo de medição já havia sido uma barreira para a realização de operações quânticas universais na computação quântica baseada em medição óptica."

Computadores ópticos

Os computadores quânticos ópticos usam qubits feitos de pacotes de ondas de luz. Em outras instituições, alguns membros da atual equipe RIKEN já haviam construído os grandes estados de cluster óptico necessários para a computação quântica baseada em medição. O feedforward linear também foi alcançado para construir operações de portas simples, mas portas mais avançadas precisam de feedforward não linear.

Uma teoria para implementação prática de medição de quadratura não linear foi proposta em 2016. Mas esta abordagem apresentou duas grandes dificuldades práticas:gerar um estado auxiliar especial (que a equipe alcançou em 2021) e realizar uma operação feedforward não linear.

A equipe superou o último desafio com óptica complexa, materiais eletro-ópticos especiais e eletrônica ultrarrápida. Para isso exploraram memórias digitais, nas quais as funções não lineares desejadas eram pré-computadas e gravadas na memória. “Após a medição, transformamos o sinal óptico em elétrico”, explica Sakaguchi. "No feedforward linear, apenas amplificamos ou atenuamos esse sinal, mas precisávamos fazer um processamento muito mais complexo para o feedforward não linear."

As principais vantagens desta técnica feedforward não linear são a sua velocidade e flexibilidade. O processo precisa ser rápido o suficiente para que a saída possa ser sincronizada com o estado quântico óptico.

“Agora que mostramos que podemos realizar feedforward não linear, queremos aplicá-lo à computação quântica baseada em medição real e à correção de erros quânticos usando nosso sistema desenvolvido anteriormente”, diz Sakaguchi. "E esperamos ser capazes de aumentar a velocidade de nosso feedforward não linear para computação quântica óptica de alta velocidade."

“Mas a mensagem principal é que, embora as abordagens baseadas em circuitos supercondutores possam ser mais populares, os sistemas ópticos são candidatos promissores para hardware de computador quântico”, acrescenta.

Mais informações: Atsushi Sakaguchi et al, Feedforward não linear permitindo computação quântica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido por RIKEN