Processador quântico faz operações sucessivas pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/08/2009

Os pesquisadores conseguiram pela primeira vez demonstrar todas as especificações necessárias para a construção de um processador quântico.[Imagem: J. Jost/NIST]

Pela primeira vez, cientistas conseguiram efetuar cálculos computacionais utilizando bits quânticos iônicos, de forma sustentável, mantendo os dados armazenados mesmo depois que esses dados são lidos e suas informações transmitidas para outro local.

O experimento, realizado no instituto NIST, nos Estados Unidos, supera desafios significativos rumo à transformação dos cálculos quânticos em pequena escala, feitos em laboratório, para verdadeiros processadores quânticos, operando em larga escala.

Computação quântica sustentável

Os pesquisadores executaram repetidamente uma sequência de cinco operações lógicas quânticas e dez operações de transporte de informações, sem perder os 0s e 1s correspondentes aos dados binários armazenados nos íons que funcionam como qubits, os bits quânticos.

Até hoje, pesquisadores já realizaram diversos tipos de operações quânticas, utilizando diversos tipos de qubits, inclusive qubits de estado sólido.

Contudo, assim que a informação do qubit é lida, ou transportada para outro ponto do circuito, ela é perdida. Mesmo o simples ruído eletromagnético do circuito é suficiente para fazer com que os dados dos qubits se percam, sem possibilidade de utilização para novas operações.

"O avanço significativo é que nós podemos manter os cálculos, apesar de temos feito vários transportes de informações dos qubits," explica Jonathan Home, um dos autores da pesquisa.

Funcionamento do computador quântico

O sucesso desse novo processador quântico iônico baseou-se no resfriamento dos íons aprisionados - que funcionam como qubits - depois da leitura dos seus dados, de forma que suas frágeis propriedades quânticas possam ser usadas para novas operações.

Os dados foram armazenados em dois íons de berílio, mantidos em uma armadilha magnética dividida em seis zonas. Os íons são armazenados na fenda escura (no centro da foto acima), que mede 3,5 milímetros de comprimento por 200 micrômetros de largura, entre duas pastilhas de óxido de alumínio recobertas com ouro.

Campos elétricos são utilizados para mover os íons de uma zona para outra. Os campos elétricos são criados aplicando uma tensão a cada um dos eletrodos de ouro.

Os dados são "escritos" com pulsos de laser ultravioleta que, com frequências e duração de pulsos específicos, alteram os estados de energia dos íons.

Dois íons de magnésio são utilizados para resfriar os íons de berílio depois que eles são transportados entre as zonas, permitindo a manutenção de seus estados quânticos e sua posterior utilização para novos cálculos.

Especificações de um processador quântico

O resultado é que os pesquisadores conseguiram pela primeira vez demonstrar, ainda que em pequena escala, todas as especificações necessárias para a construção de um processador quântico baseado em íons em larga escala.

Essas especificações incluem:

1. inicializar os qubits com um valor inicial (0 ou 1);
2. armazenar esses dados nos íons;
3. executar operações lógicas utilizando um ou dois qubits;
4. transferir as informações entre diferentes posições dentro do processador quântico;
5. ler os resultados nos qubits (0 ou 1) individualmente.

As operações foram feitas sequencialmente por cinco vezes. Ao tentar fazer a sexta rodada de cálculos, o computador tradicional que acompanha e lê os resultados trava repentinamente, por razões ainda desconhecidas.

Além dos computadores do futuro

Ao contrário dos bits dos computadores atuais, os qubits dos computadores quânticos podem funcionar como 0s e como 1s simultaneamente. Os qubits também podem ser entrelaçados, ou emaranhados, de forma que os dados de dois qubits podem ser interligados, mesmo se eles forem colocados a distâncias muito grandes um do outro - uma alteração feita em uma induzirá imediatamente uma alteração no outro.

Estas características, acreditam os pesquisadores, permitirão que os computadores quânticos superem largamente o poder computacional da arquitetura dos computadores eletrônicos atuais, mesmo admitindo todo o progresso que os computadores eletrônicos deverão experimentar no futuro.

Qubits de íons são apenas uma dentre as várias abordagens que estão sendo pesquisadas para a construção de computadores quânticos. Todas as pesquisas estão em estágio bastante inicial é impossível dizer qual ou quais dessas abordagens sairão vencedoras na construção de um computador quântico prático.

Bibliografia:

Complete Methods Set for Scalable Ion Trap Quantum Information Processing
J. P. Home, D. Hanneke, J. D. Jost, J. M. Amini, D. Leibfried, D. J. Wineland
Science
6 August 2009
Vol.: Science Express
DOI: 10.1126/science.1177077