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
Gean, o mais novo dos bolsistas com apenas 17 anos, contou como foi premiado pela vaga conferida na FEBRACE (Feira Brasileira de Ciências e Engenharia – POLI/USP), onde apresentou sua pesquisa de desenvolvimento de um material biodegradável, que leva em sua composição a fibra de bananeira como alternativa sustentável ao uso de plásticos convencionais.
Maria Vitória, de 18 anos, premiada na Mostratec, afirmou que já tinha seu objetivo traçado há tempos: “Fui à Mostratec para ganhar a bolsa do Weizmann”. Seu projeto de ciências buscou uma alternativa para combater um fungo oportunista que causa infecções vaginais, Cândida spp., contra o qual boa parte dos antifúngicos utilizados já não são mais eficientes. Após o Weizmann, seu próximo passo será estudar nos Estados Unidos.
Carolina estudou no Colégio Dante Alighieri, onde em 2014 começou um projeto de iniciação cientifica. “Estava na Mostratec em 2016 quando o prêmio do WIS foi anunciado. A partir de então, conversava com ex-bolsistas e me preparava para a seleção”. Ela tem 18 anos, e foi selecionada pela seleção geral, que contou com 354 candidatos para duas vagas.
Luiza, levou a segunda vaga da seleção geral. Em 2015 começou sua iniciação científica e participou de um curso de três semanas na Universidade de Stanford sobre Biotecnologia. Quando fala de ciência, seus olhos brilham “é minha paixão, vou conseguir o que eu quero porque vou persistir”, disse.
