Os pesquisadores de Harvard alcançaram um marco significativo na computação quântica ao desenvolver um processador quântico lógico programável capaz de codificar 48 qubits lógicos e realizar centenas de operações de portas lógicas. Este avanço, aclamado como um potencial ponto de viragem neste campo, é a primeira demonstração da execução de algoritmos em larga escala num computador quântico com correção de erros.
O avanço de Harvard em Computação quântica apresenta um novo processador quântico lógico com 48 qubits lógicos, permitindo a execução de algoritmos em larga escala em um sistema com correção de erros. Este desenvolvimento, liderado por Mikhail Lukin, representa um grande avanço em direção a computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas.
Na computação quântica, um bit quântico ou “qubit” é uma unidade de informação, assim como um bit binário na computação clássica. Durante mais de duas décadas, físicos e engenheiros mostraram ao mundo que a computação quântica é, em princípio, possível através da manipulação de partículas quânticas – sejam elas átomos, iões ou fotões – para criar qubits físicos.
Mas explorar com sucesso a estranheza da mecânica quântica para a computação é mais complicado do que simplesmente acumular um número grande o suficiente de qubits físicos, que são inerentemente instáveis e propensos a entrar em colapso em seus estados quânticos.
Qubits lógicos: os blocos de construção da computação quântica
As verdadeiras moedas do reino da computação quântica útil são os chamados qubits lógicos: pacotes de qubits físicos redundantes e corrigidos por erros, que podem armazenar informações para uso em um algoritmo quântico. A criação de qubits lógicos como unidades controláveis – como bits clássicos – tem sido um obstáculo fundamental para a área, e é geralmente aceito que, até que os computadores quânticos possam funcionar de maneira confiável em qubits lógicos, as tecnologias não poderão realmente decolar. Até o momento, os melhores sistemas de computação demonstraram uma ou dois qubits lógicose uma operação de porta quântica – semelhante a apenas uma unidade de código – entre eles.
Uma equipe liderada pelo especialista quântico Mikhail Lukin (à direita) alcançou um avanço na computação quântica. Dolev Bluvstein, Ph.D. aluno do laboratório de Lukin, foi o primeiro autor do artigo. Crédito: Jon Chase/Fotógrafo da equipe de Harvard
O avanço de Harvard na computação quântica
Uma equipe de Harvard liderada por Mikhail Lukin, professor de física da Universidade Joshua e Beth Friedman e codiretor do Iniciativa Quântica de Harvard, alcançou um marco importante na busca por uma computação quântica estável e escalável. Pela primeira vez, a equipe criou um processador quântico lógico programável, capaz de codificar até 48 qubits lógicos e executar centenas de operações de portas lógicas. Seu sistema é a primeira demonstração de execução de algoritmo em larga escala em um computador quântico com correção de erros, anunciando o advento da computação quântica tolerante a falhas ou ininterrupta de maneira confiável.
Publicado em Natureza, o trabalho foi realizado em colaboração com Markus Greiner, professor de física George Vasmer Leverett; colegas de COM; e com sede em Boston Computação QuEra, uma empresa fundada com tecnologia dos laboratórios de Harvard. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard celebrou recentemente um acordo de licenciamento com a QuEra para um portfólio de patentes baseado em inovações desenvolvidas no grupo de Lukin.
Lukin descreveu a conquista como um possível ponto de inflexão semelhante aos primeiros dias no campo da inteligência artificial: as ideias de correção quântica de erros e tolerância a falhas, há muito teorizadas, estão começando a dar frutos.
“Acho que este é um dos momentos em que fica claro que algo muito especial está por vir”, disse Lukin. “Embora ainda haja desafios pela frente, esperamos que este novo avanço acelere enormemente o progresso em direção a computadores quânticos úteis e de grande escala.”
A descoberta se baseia em vários anos de trabalho em uma arquitetura de computação quântica conhecida como matriz de átomos neutros, pioneiro no laboratório de Lukin e agora comercializado pela QuEra. Os principais componentes do sistema são um bloco de átomos de rubídio suspensos e ultrafrios, nos quais os átomos – os qubits físicos do sistema – podem se mover e ser conectados em pares – ou “emaranhados” – no meio da computação. Pares emaranhados de átomos formam portas, que são unidades de poder computacional. Anteriormente, a equipe havia demonstrado baixas taxas de erro em suas operações de emaranhamentoprovando a confiabilidade de seu neutro átomo sistema de matriz.
Implicações e direções futuras
“Esta descoberta é um tour de force da engenharia e design quântico”, disse Denise Caldwell, diretora assistente interina da Diretoria de Ciências Matemáticas e Físicas da National Science Foundation, que apoiou a pesquisa por meio dos programas Physics Frontiers Centers e Quantum Leap Challenge Institutes da NSF. “A equipe não apenas acelerou o desenvolvimento do processamento quântico de informações usando átomos neutros, mas abriu uma nova porta para explorações de dispositivos qubit lógicos em grande escala que poderiam permitir benefícios transformadores para a ciência e a sociedade como um todo.”
Com seu processador quântico lógico, os pesquisadores agora demonstram o controle paralelo e multiplexado de um pedaço inteiro de qubits lógicos, usando lasers. Este resultado é mais eficiente e escalável do que ter que controlar qubits físicos individuais.
“Estamos tentando marcar uma transição no campo, para começar a testar algoritmos com qubits com correção de erros em vez de físicos, e permitir um caminho para dispositivos maiores”, disse o primeiro autor do artigo, Dolev Bluvstein, da Griffin School of Arts and Sciences. Ph.D. estudante no laboratório de Lukin.
A equipe continuará a trabalhar para demonstrar mais tipos de operações em seus 48 qubits lógicos e para configurar seu sistema para funcionar continuamente, em oposição ao ciclo manual como faz agora.
Referência: “Processador quântico lógico baseado em matrizes de átomos reconfiguráveis” por Dolev Bluvstein, Simon J. Evered, Alexandra A. Geim, Sophie H. Li, Hengyun Zhou, Tom Manovitz, Sepehr Ebadi, Madelyn Cain, Marcin Kalinowski, Dominik Hangleiter, JS Paul Bonilla Ataides, Nishad Maskara, Iris Cong, Xun Gao, Pedro Sales Rodriguez, Thomas Karolyshyn, Giulia Semeghini, Michael J. Gullans, Markus Greiner, Vladan Vuletić e Mikhail D. Lukin, 6 de dezembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06927-3
O trabalho foi apoiado pela Defense Advanced Research Projects Agency por meio do programa Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices; o Center for Ultracold Atoms, um Centro de Fronteiras Físicas da National Science Foundation; o Gabinete de Pesquisa do Exército; e QuEra Computação.
