Os especialistas da Cornell University pretendem tornar o quantum prático

A realidade, pelo menos como a conhecemos, só vai tão fundo. Olhe com bastante atenção para qualquer objeto, até o nível de moléculas e átomos, e o mundo começa a jogar de acordo com suas próprias regras. Este é o reino da física quântica: onde ondas de energia e partículas são as mesmas, e fenômenos estranhos como o teletransporte são a norma. Essas características enigmáticas podem ser a chave para novos computadores e componentes eletrônicos revolucionários. Em vez de usar transistores de silício, como um computador tradicional ou circuito integrado, os dispositivos quânticos contam com partículas subatômicas como meio de rotear e processar informações, tornando-os mais rápidos e poderosos do que qualquer outro hardware eletrônico que possamos imaginar atualmente. Três novos professores da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação de Cornell estão trabalhando para tornar os dispositivos quânticos práticos e escaláveis. O professor assistente Karan Mehta, juntamente com o professor assistente Mohamed Ibrahim e o professor associado Mark Wilde, estão indo muito além da física aplicada em seu trabalho, incorporando elementos de design de circuitos, fotônica, arquitetura de sistemas, teoria da informação e outros campos para tornar os computadores quânticos uma realidade .Trapping ionsMehta, por exemplo, estuda um bloco básico de construção de computadores quânticos – um componente especializado chamado "qubit de íon preso". É essencialmente um único átomo suspenso no vácuo por campos elétricos e controlado por lasers. Ao usar esses lasers para manipular a rotação e a carga dos átomos, é possível "programá-los" para executar algoritmos simples. No entanto, como acontece com qualquer componente eletrônico, esses qubits têm prós e contras, observa Mehta. Uma vantagem é que cada íon é suspenso no espaço e isolado de outros átomos, o que significa que está exposto a muito pouca interferência ou ruído. Mas controlar esses qubits é complicado e, à medida que os sistemas ficam cada vez maiores, outras fontes de ruído podem se infiltrar no sistema, impedindo-o de funcionar sem problemas. Livrar-se desse ruído é uma parte crítica da construção de um computador quântico útil, que exigiria milhares ou até milhões de qubits. o espaço fica muito difícil", diz Mehta. "Sempre que você adicionar mais qubits ao sistema, a complexidade do aparato de controle introduzirá mais erros e ruído em potencial." Na computação quântica, esse ruído pode embaralhar a saída de uma máquina. Quando pequenas vibrações, calor ou qualquer outra coisa que perturbe aleatoriamente um íon preso aparece, os qubits perdem uma característica crítica chamada superposição – um fenômeno em que os elétrons existem em vários estados ao mesmo tempo, permitindo que os programadores executem diferentes iterações de um problema ao mesmo tempo. Se houver algum ruído presente, no entanto, essa superposição entrará em colapso prematuramente, criando erros de computação. Mehta está tentando contornar essa limitação usando dispositivos de estado sólido para manipular e detectar o estado de cada qubit. Ele acha que usar pulsos de luz entregues a qubits e coletados em dispositivos de controle baseados em chip baseados em fibra óptica pode ser a chave para sistemas quânticos limpos e de baixo ruído. Tais sistemas podem permitir sistemas de grande escala e também reduzir significativamente o excesso de ruído, tornando os qubits mais estáveis. “Do ponto de vista da engenharia, isso pode abordar o elefante na sala, que é o desafio de controlar esses sistemas quânticos primitivos”, diz ele. "A ideia é aproveitar as vantagens fundamentais de sistemas quânticos extremamente limpos e de baixo ruído, juntamente com hardware escalável." Sistemas quânticos em chip Ibrahim está de acordo com essa avaliação. Ele está trabalhando em sistemas quânticos escaláveis ​​em escala de chip em seu laboratório, utilizando os circuitos integrados (ICs) avançados e minúsculos de hoje. Ibrahim está desenvolvendo sensores quânticos integrados usando uma forma especializada de cristais de diamante. Em vez de carbono puro, esses diamantes são semeados com átomos de nitrogênio. Quando emparelhado com um local vago, cada átomo de nitrogênio introduz um centro de vacância de nitrogênio (NV) com novas propriedades únicas. Ao expor esses cristais a uma varredura crescente de energia de micro-ondas e pulsos de luz verde, diz ele, eles começam a brilhar em vermelho fluorescente com intensidade dependendo dos estados de spin dos elétrons dos centros NV - e registrando as frequências exatas nas quais ocorre uma queda na intensidade da fluorescência, Ibrahim pode rastrear a temperatura e medir a intensidade dos campos magnéticos e elétricos que cercam o sensor. esta é uma propriedade bem conhecida, Ibrahim está trabalhando para combinar todos os elementos envolvidos em um único dispositivo miniaturizado em escala de chip, incluindo fonte de rádio de micro-ondas no chip e circuitos de detecção de luz vermelha. Estes são co-empacotados com uma estrutura de cristal de diamante e um emissor de laser verde. Circuitos integrados como estes, diz ele, podem ter todos os tipos de aplicações diferentes, desde a navegação global até a detecção de sinais bioelétricos no coração e no cérebro - mas Ibrahim diz que também é interessados ​​em construir controladores integrados para computadores quânticos, onde eles podem ajudar a resolver um problema antigo." Qubits precisam ser mantidos em uma geladeira criogênica. Para enviar sinais entre esses ambientes ultrafrios e os computadores clássicos que controlam o qubits, atualmente usamos cabos, que limitam a escalabilidade a milhares de qubits", diz ele. Ao usar ICs criogênicos como intermediários, operando em poucos Kelvins, pode ser possível construir controladores multi-qubit que podem escalar para um número maior de qubits com muito mais eficiência. atualmente é feito usando cabos coaxiais condutivos. Como esses cabos também são termicamente condutivos, podemos realmente perder energia ao longo deles da ordem de alguns miliwatts", diz ele. Ibrahim está trabalhando em transceptores eficientes que podem resolver esse problema usando comunicação sem fio ou cabos com condutividade térmica muito baixa, como fibras ópticas. A utilização de ICs para desenvolver novas arquiteturas para interfacear ou controlar diretamente qubits possibilitaria aumentar seu número, possibilitando a era dos computadores quânticos de larga escala. não irá muito longe, a menos que descubramos as maneiras mais eficazes de usá-lo - uma área que Wilde está estudando ativamente. Enquanto seus colegas da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação estão desenvolvendo um novo hardware e software para tornar esses dispositivos uma realidade, Wilde está voltando sua atenção para a teoria da informação quântica, ou os algoritmos complexos usados ​​para processar informações dentro desse dispositivo. diz, os computadores quânticos são muito menos diretos do que os dispositivos de silício clássicos. Um computador clássico com dois bits, cada um assumindo valores zero e um, pode gerar quatro combinações diferentes desses números (00, 01, 10 e 11), mas só pode calcular uma de cada vez. Um computador quântico, por outro lado, pode explorar todas as quatro respostas possíveis de uma só vez – e, como resultado, requer métodos inteiramente novos de programação. ; para eliminá-los da computação como podar uma árvore e, em seguida, ampliar os caminhos que levarão a uma solução correta quando você finalmente medi-la", diz Wilde. Como o ruído no sistema quântico introduzirá erros durante esse processo de poda, Wilde é trabalhando em maneiras de corrigir essas instâncias e garantir que falhas barulhentas não distorçam a saída do computador. Uma técnica, ele observa, é tornar os algoritmos quânticos o mais eficientes possível, reduzindo a quantidade de tempo que eles levam para executar e limitando as chances dos qubits de serem corrompidos pelo ruído durante a computação. algoritmos quânticos, o trabalho de Wilde não é totalmente focado em soluções práticas. Ele também está tentando responder a quebra-cabeças com uma inclinação mais filosófica. "Quero entender os limites máximos da comunicação", diz ele. "Em todas as tarefas de comunicação, você precisará fazer algum tipo de computação em cada extremidade e, em todas as tarefas de computação, terá que se comunicar entre os qubits dentro do computador - portanto, a computação e a comunicação estão inevitavelmente interligadas, e você nunca pode separá-los." Com isso em mente, ele pergunta, quais são os limites físicos desses processos? E até onde podemos forçá-los? Essas perguntas não são apenas experimentos mentais abstratos; eles são o pão com manteiga do trabalho que Wilde e seus colegas estão fazendo atualmente. Com o tempo, as pesquisas interdisciplinares que saem de seus laboratórios podem revolucionar a computação e a engenharia elétrica como um todo, abrindo um leque infinito de novas possibilidades baseadas na física quântica.