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May 27, 2023

Efeito óptico avança a computação quântica com qubits atômicos para uma nova dimensão

1º de junho de 2023 Este artigo

1º de junho de 2023

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pela Universidade Técnica de Darmstadt

Os físicos de Darmstadt desenvolveram uma técnica que pode superar um dos maiores obstáculos na construção de um computador quântico praticamente relevante. Eles fazem uso de um efeito óptico aqui descoberto pelo pioneiro da fotografia britânica William Talbot em 1836. A equipe liderada por Malte Schlosser e Gerhard Birkl do Instituto de Física Aplicada da Technische Universität Darmstadt apresenta esse sucesso na revista Physical Review Letters.

Os computadores quânticos são capazes de resolver certas tarefas muito mais rapidamente do que os supercomputadores. No entanto, até agora só houve protótipos com no máximo algumas centenas de "qubits". Estas são as unidades básicas de informação na computação quântica, correspondendo a "bits" na computação clássica. No entanto, ao contrário dos bits, os qubits podem processar os dois valores "0" ou "1" simultaneamente, em vez de um após o outro, o que permite que os computadores quânticos executem muitos cálculos em paralelo.

Computadores quânticos com muitos milhares, senão vários milhões, de qubits seriam necessários para aplicações práticas, como a otimização de fluxos de tráfego complexos. No entanto, adicionar qubits consome recursos, como saída de laser, que até agora prejudicou o desenvolvimento de computadores quânticos. A equipe de Darmstadt mostrou agora como o efeito óptico Talbot pode ser usado para aumentar o número de qubits de várias centenas para mais de dez mil sem exigir proporcionalmente recursos adicionais.

Qubits podem ser realizados de diferentes maneiras. Gigantes da tecnologia como o Google, por exemplo, usam elementos de circuitos supercondutores fabricados artificialmente. No entanto, átomos individuais também são excelentes para esse propósito. Para controlá-los de maneira direcionada, os qubits de átomo único devem ser mantidos em uma rede regular, semelhante a um tabuleiro de xadrez.

Os físicos costumam usar uma "rede óptica" de pontos de luz regularmente dispostos para isso, que é formada quando os feixes de laser se cruzam. “Se você deseja aumentar o número de qubits em um determinado fator, também precisa aumentar a saída do laser de maneira correspondente”, explica Birkl.

Sua equipe produz a rede óptica de forma inovadora. Eles apontam um laser para um elemento de vidro do tamanho de uma unha, no qual minúsculas lentes ópticas são dispostas de forma semelhante a um tabuleiro de xadrez. Cada microlente agrupa uma pequena parte do feixe de laser, criando assim um plano de pontos focais, que pode conter átomos.

Agora, o efeito Talbot está ocorrendo no topo, o que até agora foi considerado um incômodo: a camada de pontos focais é repetida várias vezes em intervalos iguais; o que é conhecido como "auto-imagens" são criadas. Portanto, uma rede óptica em 2D torna-se uma em 3D com muitas vezes os pontos de luz. "Conseguimos isso de graça", diz Malte Schlosser, principal autor do trabalho. Ele quer dizer que nenhuma saída de laser adicional é necessária para isso.

A alta precisão de fabricação das microlentes leva a auto-imagens muito regularmente organizadas, que podem ser usadas para qubits. Os pesquisadores conseguiram realmente carregar as camadas adicionais com átomos individuais. Com a saída de laser fornecida, 16 dessas camadas livres foram criadas, permitindo potencialmente mais de 10.000 qubits. Segundo Schlosser, os lasers convencionais podem ser usados ​​para quadruplicar a potência no futuro.

"O campo da microlente também pode ser otimizado ainda mais", explica Birkl, criando mais pontos focais com lentes menores. Portanto, 100.000 qubits e mais serão possíveis em um futuro previsível. A escalabilidade no número de qubits mostrada pela equipe representa um passo importante para o desenvolvimento de computadores quânticos viáveis.