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Nanofotônica pode ser o ‘azarão’ da corrida da computação quântica

A corrida para construir os primeiros computadores quânticos práticos parece uma competição de dois cavalos entre máquinas construídas a partir de qubits supercondutores e aquelas que usam íons aprisionados. Mas uma nova pesquisa sugere que um terceiro contendor – máquinas baseadas em tecnologia óptica – pode se infiltrar por dentro.

Os computadores quânticos mais avançados hoje são os construídos pelo Google e pela IBM, que dependem de circuitos supercondutores para gerar os qubits que formam a base dos cálculos quânticos. Eles agora são capazes de reunir dezenas de qubits e, embora seja controverso, o Google afirma que suas máquinas alcançaram a supremacia quântica – a capacidade de realizar uma computação além dos computadores normais.

Recentemente, essa abordagem foi desafiada por uma onda de empresas que buscam usar qubits de íons aprisionados, que são mais estáveis ​​e menos sujeitos a erros do que os supercondutores. Embora esses dispositivos sejam menos desenvolvidos, a gigante da engenharia Honeywell já lançou uma máquina com 10 qubits, que diz ser mais poderosa do que uma máquina feita de um número maior de qubits supercondutores.

Mas, apesar desse progresso, ambas as abordagens têm algumas desvantagens importantes. Eles exigem métodos de fabricação especializados, mecanismos de controle incrivelmente precisos e precisam ser resfriados até quase zero absoluto para proteger os qubits de qualquer interferência externa.

É por isso que os pesquisadores do hardware de computação quântica canadense e da startup de software Xanadu estão apoiando uma abordagem alternativa de computação quântica baseada em óptica, que foi considerada por muito tempo impraticável. Em um artigo publicado na Nature, eles revelaram o primeiro chip óptico totalmente programável e escalável que pode executar algoritmos quânticos. Não apenas o sistema funciona em temperatura ambiente, mas a empresa diz que pode chegar a milhões de qubits.

A ideia não é exatamente nova. Como Chris Lee observa no “Ars Technica”, as pessoas têm experimentado abordagens ópticas para computação quântica por décadas, porque codificar informações nos estados quânticos dos fótons e manipular esses estados é relativamente fácil. O maior problema era que os circuitos ópticos eram muito grandes e não eram facilmente programáveis, o que significava que você tinha que construir um novo computador para cada novo problema que quisesse resolver.

Isso começou a mudar graças à crescente maturidade dos circuitos integrados fotônicos. Enquanto os primeiros experimentos com computação óptica envolveram arranjos de mesa complexos de lasers, lentes e detectores, hoje é possível comprar chips de silício não muito diferentes dos eletrônicos que apresentam centenas de minúsculos componentes ópticos.

Nos últimos anos, a confiabilidade e o desempenho desses dispositivos melhoraram drasticamente e agora eles são usados ​​regularmente pelo setor de telecomunicações. Algumas empresas acreditam que também podem ser o futuro da inteligência artificial.

Isso permitiu que os pesquisadores de Xanadu projetassem um chip de silício que implementa uma rede óptica complexa composta de divisores de feixe, guias de onda e dispositivos chamados interferômetros que fazem com que as fontes de luz interajam umas com as outras.

O chip pode gerar e manipular até oito qubits, mas ao contrário dos qubits convencionais, que podem estar simultaneamente em dois estados, esses qubits podem estar em qualquer configuração de três estados, o que significa que podem transportar mais informações.

Depois que a luz viaja pela rede, ela é enviada para os detectores de contagem de fótons de última geração que fornecem o resultado. Essa é uma das limitações potenciais do sistema, porque atualmente esses detectores precisam ser resfriados criogenicamente, embora o resto do chip não.

Mas, o mais importante, o chip é facilmente reprogramável, o que permite resolver uma variedade de problemas. A computação pode ser controlada ajustando-se as configurações desses interferômetros, mas os pesquisadores também desenvolveram uma plataforma de software que esconde a complexidade física dos usuários e permite que eles a programem usando um código bastante convencional.

A empresa anunciou que seus chips estavam disponíveis na nuvem em setembro de 2020, mas o artigo da Nature é o primeiro teste revisado por pares de seu sistema. Os pesquisadores verificaram que os cálculos feitos eram genuinamente de natureza quântica, mas também implementaram mais dois algoritmos práticos: um para simular moléculas e outro para julgar a semelhança entre dois gráficos, que tem aplicações em uma variedade de problemas de reconhecimento de padrões.

Em um artigo de opinião que o acompanha, Ulrik Andersen da Universidade Técnica da Dinamarca diz que a qualidade dos qubits precisa ser melhorada consideravelmente e as perdas de fótons reduzidas se a tecnologia for escalar para problemas práticos. Mas, diz ele, essa descoberta sugere que as abordagens ópticas “podem acabar sendo o azarão da computação quântica”.

Edd Gent para SingularityHub.

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