Codificar computadores quânticos de silício agora é possível

1
1444
Cores artificiais em uma imagem do microscópio eletrônico do dispositivo nanoeletrônico de silício que contém o átomo de fósforo utilizado para a demonstração do entrelaçamento quântico. Créditos da imagem: University of New South Wales

Traduzido de Phys

Uma equipe de engenheiros australianos comprovaram, com o placar mais alto já obtido, que uma versão quântica de código de computador pode ser escrita e manipulada usando dois bits quânticos em um microchip de silício. O avanço elimina dúvidas pendentes que tais operações podem ser feitas de forma confiável o suficiente para permitir que os computadores quânticos poderosos tornem-se uma realidade.

O resultado, obtido pela equipe australiana da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW – University of New South Wales), em Sydney, apareceu nesta segunda (16/11) na revista internacional Nature Nanotechnology.

O código quântico escrito na UNSW é construído em cima de uma classe de fenômenos chamada de entrelaçamento quântico, que permitem fenômenos aparentemente contra-intuitivos, tais como a medição de uma partícula que afeta instantaneamente outra – mesmo se elas estão em extremos opostos do universo.

“Este efeito é famoso por ter confundindo alguns dos maiores pensadores no campo, incluindo Albert Einstein, que o chamou de ‘ação fantasmagórica à distância’”, disse o professor Andrea Morello, da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Telecomunicações da UNSW e Program Manager no Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação, que liderou a pesquisa. “Einstein estava cético sobre emaranhamento porque parece contradizer os princípios de ‘localidade’, o que significa que os objetos não podem ser imediatamente influenciados a partir de uma distância.”

Desde então, os físicos têm lutado para estabelecer uma fronteira clara entre o nosso mundo cotidiano, que é governado pela física clássica, e esta estranheza do mundo quântico. Nos últimos 50 anos o melhor guia para esse limite tem sido um teorema chamado desigualdade de Bell, que afirma que nenhuma descrição local do mundo pode reproduzir todas as previsões da mecânica quântica.

A desigualdade de Bell exige um teste muito rigoroso para verificar se duas partículas são realmente correlacionadas, conhecido como o “teste de Bell”, nomeado em homenagem ao físico britânico que idealizou o teorema em 1964.

“O aspecto chave do teste de Bell é que ele é extremamente imperdoável: qualquer imperfeição na preparação, manipulação ou protocolo de leitura fará com que as partículas falhem no teste”, disse o Dr. Juan Pablo Dehollain, um pesquisador associado da UNSW que com a Dra. Stephanie Simmons foi um dos principais autores do artigo da Nature Nanotechnology.

“Apesar disso, temos conseguido passar no teste, e temos feito com isso a melhor pontuação já registrada no experimento”, acrescentou.

O líder do projeto Andrea Morello (à esquerda) com autores importantes Stephanie Simmons (meio) e Juan Pablo Dehollain (à direita) no laboratório na UNSW onde foram realizados os experimentos. Créditos: Paul Henderson-Kelly / UNSW
O líder do projeto Andrea Morello (à esquerda) com autores importantes como Stephanie Simmons (meio) e Juan Pablo Dehollain (à direita) no laboratório na UNSW onde foram realizados os experimentos. Créditos: Paul Henderson-Kelly / UNSW

No experimento da UNSW, as duas partículas quânticas envolvidas são um elétron e um núcleo de um único átomo de fósforo, colocado dentro de um circuito integrado de silício. Estas partículas estão, literalmente, uma em cima uma da outra as órbitas de elétrons ao redor do núcleo. Portanto, não há nenhuma complicação resultante da fantasmagoria da ação à distância.

No entanto, o significado da experiência da UNSW é que a criação desses dois estados emaranhados de  partículas é o mesmo que escrever um tipo de código de computador que não existe em computadores atuais. Portanto, demonstra a capacidade de escrever uma versão puramente quântica de código de computador, usando dois bits quânticos em um microchip de silício um elemento-chave na busca de super poderosos computadores quânticos do futuro.

“Passar no teste de Bell com uma pontuação tão alta é a mais forte prova possível de que temos a operação de um computador quântico totalmente sob controle”, disse Morello. “Em particular, podemos acessar o tipo de código puramente quântico que requer o uso do entrelaçamento quântico delicado entre as duas partículas”.

Em um computador normal, usando dois bits, pode-se escrever quatro instruções de código possíveis: 00, 01, 10 e 11. Em um computador quântico, em vez disso, também se pode escrever e usar “superposições” das instruções clássicas do código binário, tais como ( 01 + 10), ou (00 + 11). Isso requer a criação de emaranhamento quântico entre duas partículas.

“Estes códigos são perfeitamente legítimos em um computador quântico, mas não existem em um computador clássico”, disse Stephanie Simmons, pesquisadora associada da UNSW, co-autora do artigo. “Este é, em certo sentido, a razão pela qual os computadores quânticos podem ser muito mais poderosos: com o mesmo número de bits, eles nos permitem escrever um código de computador que contém muitos mais instruções, e podemos usar essas instruções extras para executar um algoritmo diferente que atinja o resultado em um menor número de etapas”.

Morello destacou a importância de se alcançar o avanço de usar um chip de silício: “O que eu acho fascinante sobre esta experiência, é que este aparentemente inócuo código de computação quântica  (01 + 10) e (00 + 11) tem intrigado, confundido e enfurecido gerações de físicos ao longo dos últimos 80 anos.

“Agora temos demonstrado, além de qualquer dúvida, que podemos escrever este código dentro de um dispositivo que se assemelha aos microchips de silício que tem no seu notebook ou celular. É um verdadeiro triunfo da engenharia elétrica”, acrescentou.

CONTINUAR LENDO