Física quântica: avanço reduz custo e complexidade dos circuitos

Em um pequeno laboratório em Pequim, pesquisadores deram um passo crucial em direção à criação de computadores quânticos mais eficientes. Usando apenas um sistema a laser, eles conseguiram entrelaçar dois tipos diferentes de qubits. Por que isso é importante? Simplificar esses processos pode marcar o início de uma nova era na computação quântica, permitindo que essas máquinas realizem o que os computadores atuais nem sequer conseguem imaginar.

Os detalhes dessa conquista foram publicados no artigo "Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits" na revista Physical Review Letters. Como explicou o autor principal, Luming Duan: "Esse método reduz os custos e a complexidade dos circuitos quânticos ao eliminar conversões desnecessárias entre diferentes tipos de qubits".

O Que São Qubits de Tipo Duplo?

O qubit é a unidade básica de informação na computação quântica e, graças ao princípio da superposição, pode estar em múltiplos estados simultaneamente. No entanto, nem todos os qubits são iguais. Os qubits de tipo duplo combinam dois tipos diferentes de estados quânticos em um único sistema, aumentando sua versatilidade e reduzindo interferências.

Tradicionalmente, os sistemas de computação quântica utilizam diferentes espécies de íons para minimizar o ruído entre os qubits, o que complica a estrutura. Já os qubits de tipo duplo são codificados dentro de um único íon, como os níveis de energia hiperfinos do íon Ba-137, permitindo operações com menos hardware adicional e, mais importante, reduzindo erros.

De acordo com os pesquisadores, "nossa técnica pode reduzir os custos de hardware ao utilizar um único sistema a laser de 532 nm para entrelaçar ambos os tipos de qubits por meio de transições Raman".

Como Esse Avanço Foi Alcançado?

O experimento foi realizado com íons Ba-137 em uma armadilha de lâmina, resfriados próximo ao estado fundamental usando técnicas como o resfriamento Doppler. Os qubits foram codificados em dois níveis diferentes: os estados hiperfinos S1/2 e D5/2.

Para entrelaçar esses qubits, a equipe desenvolveu um sistema a laser com múltiplos componentes de frequência, capazes de excitar simultaneamente ambos os tipos de qubits. Esse processo, combinado com oscilações coletivas dos íons, atuou como uma "ponte quântica" que gerou o entrelaçamento. O estado de Bell alcançado apresentou fidelidade de 96,3%, um valor comparável aos métodos tradicionais para qubits do mesmo tipo.

Esse método é revolucionário porque elimina a necessidade de converter qubits entre tipos diferentes antes de entrelaçá-los — um processo anteriormente comum, mas ineficiente. "Alcançamos portas de entrelaçamento para qubits de tipo duplo e de tipo igual com desempenho semelhante, demonstrando que não há limitações fundamentais para aplicar esse método em circuitos quânticos práticos", afirmou a equipe.

O Que É o Resfriamento Doppler?

O resfriamento Doppler é uma técnica usada na física quântica para reduzir a energia cinética de partículas, como átomos ou íons, resfriando-os até próximo ao estado fundamental. Esse método utiliza lasers sintonizados ligeiramente abaixo da frequência de ressonância da partícula. Quando a partícula absorve os fótons, seu movimento é reduzido. Esse processo é essencial para o controle preciso de sistemas quânticos, como qubits em armadilhas de íons, e viabiliza experimentos avançados, como o entrelaçamento quântico.

Impacto na Computação Quântica

O impacto potencial dessa técnica é imenso. Os sistemas quânticos atuais enfrentam grandes desafios relacionados a erros e à complexidade do hardware. Reduzir esses fatores não apenas melhora o desempenho, mas também amplia as aplicações da tecnologia, desde redes quânticas até a correção de erros.

Em redes quânticas, onde é necessário entrelaçar nós separados por longas distâncias, esse método pode simplificar o processo ao minimizar o ruído entre os qubits. Já nas tarefas de correção de erros, as portas de entrelaçamento para qubits de tipo duplo podem reduzir a profundidade dos circuitos e simplificar seu design.

Luming Duan comentou que "no futuro, planejamos aplicar essa técnica para realizar a detecção quântica de estados intermediários em circuitos de correção de erros e para construir nós de redes quânticas baseados em íons presos".

O Que Vem a Seguir?

Apesar dos resultados promissores, há espaço para melhorias. O principal desafio é aumentar a estabilidade do sistema a laser e a frequência da armadilha de íons. Segundo o artigo, o desempenho atual é limitado pelos tempos de decoerência do laser (2,6 ms) e pelos movimentos dos íons (4,1 ms).

Os pesquisadores planejam otimizar os caminhos ópticos e aplicar técnicas mais avançadas de estabilização. Isso aumentará a fidelidade das portas de entrelaçamento e ampliará sua aplicabilidade em sistemas maiores. Além disso, a técnica pode ser integrada a arquiteturas de computação quântica já existentes sem modificações significativas, tornando-a uma opção prática para escalar a tecnologia quântica.

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Author`s name Petr Ermilin