Pesquisadores da universidade Stanford, nos Estados Unidos, desenvolveram um novo sistema baseado em luz que pode destravar a expansão dos computadores quânticos para patamares inéditos.
A técnica usa cavidades ópticas miniaturizadas para coletar sinais emitidos por átomos individuais e permite a leitura simultânea de muitos qubits — os bits quânticos que armazenam informação nesse tipo de computador. O estudo foi publicado na revista Nature.
A dificuldade de escalar a computação quântica é um dos principais obstáculos da área. Embora essas máquinas tenham potencial para realizar, em poucas horas, cálculos que levariam milhares de anos em computadores tradicionais, os sistemas atuais ainda operam com poucos qubits e enfrentam limitações para ler os dados gerados por eles de forma rápida e confiável.
Na arquitetura desenvolvida em Stanford, cada qubit é formado por um átomo isolado. Para extrair informação desses átomos, os pesquisadores criaram cavidades ópticas capazes de capturar fótons (as partículas elementares da luz) emitidos durante o processo de leitura.
O problema histórico é que os átomos emitem pouca luz e em todas as direções, o que dificulta a coleta do sinal. As cavidades resolvem esse gargalo ao direcionar a emissão luminosa para um caminho específico.
Os testes incluíram um arranjo funcional com 40 cavidades ópticas, cada uma associada a um qubit, além de um protótipo maior com mais de 500 cavidades.
Segundo os autores, os resultados indicam um caminho técnico viável para a construção de redes quânticas que, no futuro, podem chegar à escala de milhões de qubits.
“Se quisermos construir um computador quântico, precisamos extrair informação dos bits quânticos muito rapidamente”, afirmou Jon Simon, professor associado de física e física aplicada em Stanford e autor sênior do estudo, à Science Daily. “Até agora, não havia uma forma prática de fazer isso em grande escala.”
Interação da luz
Cavidades ópticas são usadas há décadas em experimentos de física, mas sua aplicação com átomos sempre foi limitada pela dificuldade de fazer a luz interagir de forma intensa com partículas tão pequenas.
Para contornar esse obstáculo, a equipe incorporou microlentes dentro de cada cavidade, concentrando o feixe de luz diretamente sobre o átomo. Mesmo com menos reflexões internas, o método se mostrou mais eficiente para extrair informação quântica.
“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade”, disse Adam Shaw, pesquisador de Stanford e primeiro autor do trabalho.
Segundo ele à mesma publicação, o sistema pode viabilizar computadores quânticos distribuídos, capazes de trocar dados em velocidades mais altas por meio de interfaces ópticas.
Diferentemente dos computadores clássicos, que processam informações como zeros ou uns, os computadores quânticos operam com qubits, que podem representar múltiplos estados ao mesmo tempo.
Essa propriedade permite explorar muitas combinações em paralelo, o que torna esse tipo de máquina promissor para áreas como modelagem de materiais, química, desenvolvimento de medicamentos e quebra de códigos.
Pesquisadores estimam que apenas computadores quânticos com milhões de qubits conseguirão superar os supercomputadores atuais em aplicações práticas.
Para Simon, alcançar esse patamar exigirá a conexão de vários sistemas quânticos menores em grandes redes. A leitura paralela baseada em luz apresentada no estudo é vista como um elemento central para essa expansão.
Além da computação, a tecnologia pode ter desdobramentos em outras áreas científicas. A capacidade de coletar luz de forma eficiente em escala microscópica pode ser aplicada em biossensores, técnicas avançadas de microscopia e até em astronomia, com telescópios ópticos de maior resolução.
O trabalho contou com pesquisadores de instituições como Universidade de Chicago, Harvard e Stony Brook, e recebeu apoio de agências públicas dos Estados Unidos.
Parte dos autores também possui patentes relacionadas ao desenho das cavidades ópticas apresentadas no estudo.