A computação quântica está a avançar, com gigantes como a Google e a IBM a fornecer serviços, mas os desafios permanecem devido à insuficiência de qubits e à sua susceptibilidade a influências externas, exigindo um emaranhado complexo para resultados fiáveis. As abordagens fotônicas oferecem operação em temperatura ambiente e velocidades mais rápidas, mas enfrentam problemas de perda; no entanto, um novo método demonstrado por pesquisadores usa pulsos de laser para criar qubits lógicos inerentemente corretores de erros, simplificando a computação quântica, mas ainda precisando de melhorias na tolerância a erros.
Os pesquisadores criaram com sucesso um qubit lógico usando um único pulso de luz que tem a capacidade inerente de corrigir erros
Avanços significativos foram feitos em Computação quântica, com grandes empresas internacionais como Google e IBM fornecendo agora serviços de computação quântica através da nuvem. No entanto, os computadores quânticos ainda não são capazes de resolver os problemas que surgem quando os computadores convencionais atingem os seus limites de desempenho. Esta limitação é principalmente a disponibilidade de qubits ou bits quânticos, ou seja, as unidades básicas de informação quântica, ainda é insuficiente.
Uma das razões para isso é que qubits simples não são de uso imediato para executar um algoritmo quântico. Enquanto os bits binários dos computadores convencionais armazenam informações na forma de valores fixos de 0 ou 1, os qubits podem representar 0 e 1 ao mesmo tempo, colocando em jogo a probabilidade quanto ao seu valor. Isso é conhecido como superposição quântica.
Isto os torna muito suscetíveis a influências externas, o que significa que as informações que armazenam podem ser facilmente perdidas. Para garantir que os computadores quânticos forneçam resultados confiáveis, é necessário gerar um emaranhado genuíno para unir vários qubits físicos para formar um qubit lógico. Caso um desses qubits físicos falhe, os outros qubits reterão as informações. No entanto, uma das principais dificuldades que impedem o desenvolvimento de computadores quânticos funcionais é o grande número de qubits físicos necessários.
Vantagens de uma abordagem baseada em fótons
Muitos conceitos diferentes estão sendo empregados para tornar viável a computação quântica. As grandes empresas dependem atualmente de sistemas supercondutores de estado sólido, por exemplo, mas estes têm a desvantagem de funcionarem apenas a temperaturas próximas de zero absoluto. Os conceitos fotônicos, por outro lado, funcionam à temperatura ambiente.
A criação de um “estado de gato de Schrödinger” fotônico – em outras palavras, a superposição quântica de estados da amplitude do pulso de laser que podem ser distinguidos em escala macroscópica (gato branco ou preto) – só pode ser alcançada usando as mais avançadas técnicas ópticas quânticas. e já foi demonstrado que é possível. No presente experimento que é objeto do trabalho de pesquisa, mostrou-se viável estender isso para três estados (gatos brancos, cinzentos e pretos). Este estado de luz aproxima-se assim de um estado quântico lógico no qual os erros podem ser, em princípio, corrigidos universalmente. Crédito: Peter van Loock
Fótons únicos geralmente servem como qubits físicos aqui. Esses fótons, que são, em certo sentido, minúsculas partículas de luz, operam inerentemente mais rapidamente do que os qubits de estado sólido, mas, ao mesmo tempo, são perdidos mais facilmente. Para evitar perdas de qubits e outros erros, é necessário acoplar váriosfóton a luz pulsa junto para construir um qubit lógico – como no caso da abordagem baseada em supercondutores.
Um qubit com capacidade inerente de correção de erros
Pesquisadores da Universidade de Tóquio, juntamente com colegas da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU), na Alemanha, e da Universidade Palacký Olomouc, na República Tcheca, demonstraram recentemente um novo meio de construir um computador quântico fotônico. Em vez de usar um único fóton, a equipe empregou um pulso de luz gerado por laser que pode consistir em vários fótons.
“Nosso pulso de laser foi convertido para um estado óptico quântico que nos dá uma capacidade inerente de corrigir erros”, afirmou o professor Peter van Loock, da Universidade de Mainz. “Embora o sistema consista apenas num pulso de laser e seja, portanto, muito pequeno, ele pode – em princípio – erradicar erros imediatamente.”
Assim, não há necessidade de gerar fótons individuais como qubits por meio de numerosos pulsos de luz e depois fazê-los interagir como qubits lógicos. “Precisamos de apenas um único pulso de luz para obter um qubit lógico robusto”, acrescentou van Loock.
Em outras palavras, um qubit físico já é equivalente a um qubit lógico neste sistema – um conceito notável e único. No entanto, o qubit lógico produzido experimentalmente na Universidade de Tóquio ainda não tinha qualidade suficiente para fornecer o nível necessário de tolerância a erros. No entanto, os pesquisadores demonstraram claramente que é possível transformar qubits não universalmente corrigíveis em qubits corrigíveis usando os métodos ópticos quânticos mais inovadores.
Referência: “Estados lógicos para computação quântica tolerante a falhas com propagação de luz” por Shunya Konno, Warit Asavanant, Fumiya Hanamura, Hironari Nagayoshi, Kosuke Fukui, Atsushi Sakaguchi, Ryuhoh Ide, Fumihiro China, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Kan Takase, Mamoru Endo, Petr Marek, Radim Filip, Peter van Loock e Akira Furusawa, 18 de janeiro de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adk7560
