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Transferência pela luz

Transferência pela luz

Um portal quântico entre átomos e fótons pode ajudar a ampliar computadores quânticos

Os computadores quânticos do futuro serão capazes de efetuar cálculos que os computadores atuais não fazem. Entre eles, provavelmente se incluirá a capacidade de decifrar a criptografia utilizada atualmente nas transações eletrônicas, bem como ser o meio de solucionar com eficiência problemas complexos em cujo número de soluções possíveis aumenta exponencialmente. Pesquisas no laboratório de óptica quântica do Prof. Barak Dayan no Instituto Weizmann de Ciências pode estar avançando o desenvolvimento desse tipo de computadores um passo à frente com a criação de “portais quânticos”, que são necessários à comunicação dentro e entre os circuitos desses computadores quânticos.

Ao contrário dos atuais bits, que somente podem existir em dois estados possíveis – zero ou um – os bits quânticos, conhecidos como “qubits”, também podem existir em estados que correspondem a zero e um ao mesmo tempo. Esse recurso é conhecido como sobreposição quântica, e proporciona aos qubits uma margem extra, visto que os computadores que trabalham com esse tipo de bits são capazes de realizar diversos cálculos em paralelo. 

 Apenas um problema prejudica essa tecnologia: O estado de sobreposição quântica somente poderá existir sem ser observado ou medido pelo mundo externo; se isto acontecer, todos os estados possíveis se convertem em um estado único. Isto culmina em requisitos contraditórios: Para os qubits existirem em diversos estados ao mesmo tempo, eles precisam estar claramente isolados e, simultaneamente, precisam interagir e se comunicar com muitos outros qubits. É por isto que, apesar de diversos laboratórios e empresas em todo o mundo já terem experimentado computadores quânticos de pequeno porte, com algumas dezenas de qubits, o desafio de ampliar essas máquinas até os desejados milhões de qubits ainda é um enorme desafio científico e tecnológico.

Uma solução promissora é o uso de módulos isolados, com um volume pequeno e gerenciável de qubits, que podem se comunicar entre si quando necessário, por meio de conexões ópticas. As informações armazenadas em um qubit físico (p. ex. um único átomo ou íon) seriam então transferidas para um “qubit dinâmico” (ou “voador”) – uma única partícula de luz conhecida como fóton. Esse fóton pode ser enviado por fibras ópticas para um qubit físico em um ponto distante, e transferir suas informações sem que o ambiente detecte a natureza dessas informações. O desafio da criação desse tipo de sistema é que um único fóton pode conter uma quantidade de energia ínfima, e os minúsculos sistemas que funcionam com qubits físicos geralmente não interagem com a intensidade desejada com uma luz fraca.    

O laboratório de óptica quântica do Prof. Dayan no Instituto Weizmann de Ciências é um dos poucos no mundo com foco exclusivamente em enfrentar esse desafio científico. Suas instalações experimentais contam com átomos únicos acoplados a ressonadores de sílica em microescala exclusivos; e os fótons são enviados diretamente a esses átomos, por meio de dutos de fibra óptica especiais. Em experimentos anteriores, o Prof. Dayan e sua equipe comprovaram a capacidade de seu sistema de funcionar como um comutador ativado por um único fóton, assim como uma forma de “extrair” um único fóton de um feixe de luz. No presente estudo, publicado na Nature Physics, Dayan e sua equipe tiveram êxito – pela primeira vez – em gerar um portal lógico em que um fóton e um átomo automaticamente trocavam as informações que transportavam.

“O fóton transporta um qubit e o átomo é um segundo qubit” – explicou Dayan. “Toda vez que o fóton e o átomo se cruzam, eles trocam qubits entre si automática e simultaneamente, e o fóton prossegue em seu curso, agora levando os novos bits de informação. Em mecânica quântica, as informações não podem ser copiadas ou apagadas e essa conversão de informações é em fato a unidade básica de leitura e gravação – o portal ‘nativo’ da comunicação quântica”.

Esse tipo de portal lógico – um portal de conversão (SWAP) – pode ser utilizado para o intercâmbio de qubits, tanto nos circuitos de um computador quântico quanto na comunicação entre computadores desse tipo. Como esse portal não requer controle ou sistema de gestão externos, ele pode permitir o desenvolvimento de um equivalente de quantum para redes de integração em grande escala (Very Large-Scale Integration – VLSI). “O portal SWAP que propusemos se aplica à comunicação fotônica entre todos os tipos de qubits baseados em matéria – não apenas átomos” – explicou Dayan. “Acreditamos, portanto, que ele se tornará um bloco de construção essencial para a próxima geração de sistemas de computação quântica”.  

A pesquisa do Prof. Barak Dayan tem o apoio do Crown Photonics Center e das Fundações Edmond de Rothschild

Saiba mais: Light Exchange

 

Comunicação entre computadores quânticos um passo mais perto

Laboratório de Ótica quântica do Prof. B. Dayan


 Comunicação entre computadores quânticos um passo mais perto

A diferença da tecnologia atual, com bits eletrônicos que existem apenas em dois estados, zero ou um, os bits quânticos, o qubits, podem estar em um estado que corresponde a zero e um ao mesmo tempo, o fenômeno chamado de superposição quântica. Isto permite pensar que vão fazer múltiplas funções em paralelo, e resolverão muitos mais problemas do que os atuais, mas também poderão colocaram o encriptado das transações eletrônicas em risco.

 

A equipe do Prof. Dayan é uma das poucas do mundo focada por completo em atacar alguns dos novos desafios científicos dos computadores quânticos. Agora, num trabalho, publicado na revista Nature Physics apresentam o desenvolvimento de um processo de informação automática entre um fóton e um átomo. O avanço tecnológico é significativo porque poderá permitir a comunicação logica entre computadores quânticos.

Saiba mais: Transferência pela luz

Science Tips 99 – Metabolismo com nitrogênio alterado pode enfeitiçar o câncer

Metabolismo com nitrogênio alterado pode enfeitiçar o câncer

O Nitrogênio é um bloco de construção básico de todas as proteínas no corpo humano, no RNA e no DNA, de forma que os tumores cancerígenos são ávidos pelo elemento. Pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciências, em colaboração com colegas do Instituto Nacional do Câncer (NCI) e de outras instituições, conseguiram demonstrar que em diversos tipos de câncer, o metabolismo do nitrogênio dos pacientes é alterado, produzindo alterações detectáveis nos fluidos corporais e contribuindo para o surgimento de novas mutações nos tecidos cancerosos. As constatações do estudo, publicadas recentemente na revista Cell, poderão facilitar a detecção precoce do câncer e a previsão dos resultados da imunoterapia no futuro.

Coloração no tecido de um fígado normal (linha superior, quatro imagens a partir da direita) revelam altos níveis de quatro enzimas do ciclo ureico diferentes (marrons ou marrons avermelhadas), enquanto as amostras de câncer hepático (linha inferior, quatro imagens a partir da direita) contém níveis baixos dessas enzimas. Em contraste, os marcadores do crescimento das células são baixos no tecido normal (linha superior, à esquerda) e extremamente altos no câncer hepático (linha inferior, à esquerda). Imagem gerada com o auxílio da Dra. Raya Eilam

Quando o corpo utiliza o nitrogênio, gera uma substância derivada dos seus resíduos chamada ureia, em uma cadeia de reações bioquímicas que ocorrem no fígado, conhecidas como ciclo ureico. Em decorrência desse ciclo, a ureia é expelida na corrente sanguínea e posteriormente transformada em excreção do organismo na urina. Em uma pesquisa anterior, a Dra. Ayelet Erez do Departamento de Regulação Biológica do Instituto Weizmann demonstrou que uma das enzimas do ciclo ureico foi desativada em diversos tumores cancerígenos, aumentando a disponibilidade de nitrogênio para a síntese de uma substância orgânica conhecida como pirimidina, que por sua vez, serve de apoio à síntese de RNA e DNA e ao desenvolvimento do câncer.

No novo estudo, conduzido com o auxílio do Prof. Eytan Ruppin do Instituto Nacional do Câncer e outros pesquisadores, a equipe de Erez identificou uma série de alterações definidas com precisão em enzimas adicionais do ciclo ureico, que atuam em conjunto aumentando a disponibilidade de compostos de nitrogênio para a síntese de pirimidina. Essas alterações causaram um aumento no nível de pirimidina no tumor e uma pré-disposição para mutações do câncer.

Quando os pesquisadores modificaram a expressão das enzimas do ciclo ureico em tumores de câncer no cólon em camundongos, verificaram que esses camundongos – ao contrário do que ocorreu no grupo de controle – apresentaram níveis mais baixos de ureia no sangue, além de níveis detectáveis de pirimidina na urina. Em seguida, os pesquisadores verificaram os prontuários médicos de 100 pacientes de câncer pediátrico em tratamento no Centro Médico Sourasky em Tel Aviv, para conferir seus níveis de ureia. “Descobrimos que, no dia da internação no hospital, as crianças com câncer tinham níveis significativamente reduzidos de ureia no sangue, em comparação aos níveis registrados de ureia em crianças saudáveis da mesma idade” – disse Erez.

Essas constatações sugerem que as disfunções no ciclo ureico no fígado e em tumores podem causar a geração de marcadores relativos ao nitrogênio que podem facilitar a detecção precoce do câncer. Futuros ensaios poderão se basear em uma pontuação que combina medições dos níveis de ureia no sangue e de pirimidina na urina, para gerar um alerta de que o câncer pode estar se desenvolvendo no organismo.

“Ensaios padrão de laboratório verificam níveis altos de ureia no sangue, mas agora estamos comprovando que níveis baixos também são sinal de problemas” – afirmou Erez. “As células cancerígenas não desperdiçam nada, e utilizam o nitrogênio ao máximo em vez de descartá-lo na forma de ureia como as células normais fazem”.

Além disto, depois de examinar dados genômicos de câncer, os pesquisadores descobriram que as disfunções no ciclo ureico predominam em diversos tipos de câncer, e que vem acompanhadas de mutações específicas que resultam do aumento na síntese de pirimidina.

Essas mutações associadas à pirimidina são uma faca de dois gumes. Por um lado, tornam o câncer mais agressivo, reduzindo o tempo de sobrevivência do paciente, e por outro, geram fragmentos de proteína que tornam o tumor mais ‘sensível” que o de costume, afetando seu impacto no sistema imunológico. Portanto, tumores com disfunções no ciclo ureico têm maior probabilidade de serem suscetíveis à imunoterapia, pois o sistema imunológico do próprio paciente se mobiliza para combater o tumor. Um análise de pacientes com melanoma de fato revelou que os que tinham tumores caracterizados por disfunções no ciclo ureico eram mais propensos a reagirem à imunoterapia do que os que não apresentavam essas características. Quando os pesquisadores induziram as referidas disfunções no ciclo ureico em camundongos com tumores cancerosos, eles descobriram que os camundongos reagiam com muito mais eficiência à imunoterapia do que os portadores de tumores com atividade intacta das mesmas enzimas.

Se essas descobertas forem confirmadas em estudos mais abrangentes em animais e seres humanos, poderão dar ensejo a testes que possam ajudar a avaliar as chances de sucesso da imunoterapia com base nas colorações detectadas nas biópsias, em vez de uma análise genômica, muito mais difícil de se realizar. As disfunções nos níveis de expressão das enzimas da ureia no tecido afetado pelos tumores sugerem que o paciente tem maior probabilidade de reagir à imunoterapia.

“Outra possibilidade que vale a pena ser explorada é se a manipulação genética do tumor para induzir esse tipo de disfunção antes da imunoterapia poderia aumentar a eficácia do tratamento” – disse Erez. Essa manipulação envolveria o rompimento deliberado do ciclo ureico do tumor, na esperança de que as disfunções causadas gerem mutações relacionadas à pirimidina nas proteínas, o que ajudaria o sistema imunológico a identificar e destruir o tumor.

Participantes do estudo: Dra. Lital Adler, Dra. Narin Carmel, Shiran Rabinovich, Dr. Rom Keshet, Dra. Noa Stettner, Dr. Alon Silberman, Hila Weiss e Sivan Pinto do Departamento de Regulação Biológica, Dra. Lilach Agemy e Prof. Avigdor Scherz do Departamento de Ciências Ambientais e Botânicas, Dra. Raya Eilam do Departamento de Recursos Veterinários, Drs. Alexander Brandis, Sergey Malitsky e Maxim Itkin do Departamento de Ciências da Vida, Shelly Kalaora, Dr. Ronen Levy e Profa. Yardena Samuels do Departamento de Biologia Celular e Molecular, e Dra. Noam Stern Ginossar do  Departamento de Genética Molecular – todos do Instituto Weizmann de Ciências; Dra. Joo Sang Lee, Hiren Karathia, Noam Auslander e Prof. Sridhar Hannenhalli da Universidade de Maryland; Daniel Helbling e Dr. David Dimmock da Faculdade de Medicina de Wisconsin; Dr. Qin Sol e Dr. Sandesh CS Nagamani da Faculdade Baylor de Medicina; Eilon Barnea e Prof. Arie Admon da Technion – Faculdade Israelense de Tecnologia; Miguel Unda e Prof. Arkaitz Carracedo do Hospital Universitário de Basurto em Bilbao, Espanha; Dr. David M Wilson III do Instituto Nacional do Envelhecimento; e Dr. Ronit Elhasid do Centro Médico de Sourasky, em Tel Aviv.

A pesquisa da Dra. Ayelet Erez tem o apoio da Fundação Adelis; da Fundação Rising Tide; do Consórcio da Família Comisaroff; do Fundo Irving B. Harris para Novos Direcionamentos em Pesquisas do Cérebro; e do Conselho Europeu de Pesquisa. A Dra. Erez é a encarregada da Cadeira de Desenvolvimento profissional Leah Omenn.