Peça que faltava descoberta no quebra-cabeça da computação quântica óptica

Uma porta lógica quântica eficiente de dois bits estava fora de alcance até agora.

Uma pesquisa da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis encontrou uma peça que faltava no quebra-cabeça da computação quântica óptica.

Jung-Tsung Shen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas de Preston M. Green, desenvolveu uma porta lógica quântica determinística e de alta fidelidade de dois bits que aproveita uma nova forma de luz. Esta nova porta lógica é muito mais eficiente do que a tecnologia atual.

“No caso ideal, a fidelidade pode chegar a 97%”, disse Shen.

Sua pesquisa foi publicada em maio de 2021 na revista Revisão Física A.

O potencial dos computadores quânticos está ligado às propriedades incomuns de superposição – a capacidade de um sistema quântico de conter muitas propriedades, ou estados, distintos ao mesmo tempo – e emaranhamento – duas partículas agindo como se estivessem correlacionadas de uma forma não clássica. maneira, apesar de estarem fisicamente distantes um do outro.

Onde a voltagem determina o valor de um bit (1 ou 0) em um computador clássico, os pesquisadores costumam usar elétrons individuais como “qubits”, o equivalente quântico. Os elétrons possuem diversas características que os adequam bem à tarefa: são facilmente manipulados por um campo elétrico ou magnético e interagem entre si. A interação é um benefício quando você precisa que dois bits sejam emaranhados – deixando a natureza selvagem da mecânica quântica se manifestar.

Mas a sua propensão para interagir também é um problema. Tudo, desde campos magnéticos dispersos até linhas de energia, pode influenciar os elétrons, tornando-os difíceis de controlar verdadeiramente.

Nas últimas duas décadas, entretanto, alguns cientistas têm tentado usar fótons como qubits em vez de elétrons. “Se quisermos que os computadores tenham um impacto real, precisamos pensar em criar a plataforma usando luz”, disse Shen.

Os fótons não têm carga, o que pode levar a problemas opostos: eles não interagem com o ambiente como os elétrons, mas também não interagem entre si. Também tem sido um desafio projetar e criar interações ad hoc (eficazes)fóton interações. Ou assim dizia o pensamento tradicional.

Há menos de uma década, os cientistas que trabalharam neste problema descobriram que, mesmo que não estivessem emaranhados ao entrar numa porta lógica, o acto de medir os dois fotões quando saíram levava-os a comportar-se como se tivessem estado. As características únicas da medição são outra manifestação selvagem da mecânica quântica.

“A mecânica quântica não é difícil, mas é cheia de surpresas”, disse Shen.

A descoberta da medição foi inovadora, mas não mudou totalmente o jogo. Isso porque para cada 1.000.000 de fótons, apenas um par ficou emaranhado. Desde então, os investigadores têm tido mais sucesso, mas, disse Shen, “ainda não é bom o suficiente para um computador”, que tem de realizar milhões a milhares de milhões de operações por segundo.

Shen foi capaz de construir uma porta lógica quântica de dois bits com tanta eficiência devido à descoberta de uma nova classe de estados fotônicos quânticos – dímeros fotônicos, fótons emaranhados no espaço e na frequência. A sua previsão da sua existência foi validada experimentalmente em 2013, e desde então ele tem encontrado aplicações para esta nova forma de luz.

Quando um único fóton entra em uma porta lógica, nada de notável acontece – ele entra e sai. Mas quando há dois fótons, “foi então que previmos que os dois poderiam formar um novo estado, os dímeros fotônicos. Acontece que este novo estado é crucial.”

Porta lógica de dois bits de alta fidelidade, projetada por Jung-Tsung Shen. Crédito: Jung-Tsung Shen

Matematicamente, existem muitas maneiras de projetar uma porta lógica para operações de dois bits. Esses diferentes designs são chamados de equivalentes. A porta lógica específica que Shen e seu grupo de pesquisa projetaram é a porta de fase controlada (ou porta Z controlada). A principal função da porta de fase controlada é que os dois fótons que saem estejam no estado negativo dos dois fótons que entraram.

“Nos circuitos clássicos, não há sinal de menos”, disse Shen. “Mas em Computação quânticaacontece que o sinal de menos existe e é crucial.”

“A mecânica quântica não é difícil, mas é cheia de surpresas.”

– Jung-Tsung Shen

Quando dois fótons independentes (representando dois qubits ópticos) entram na porta lógica, “o design da porta lógica é tal que os dois fótons podem formar um dímero fotônico”, disse Shen. “Acontece que o novo estado fotônico quântico é crucial, pois permite que o estado de saída tenha o sinal correto, que é essencial para as operações lógicas ópticas.”

Shen tem trabalhado com a Universidade de Michigan para testar seu projeto, que é uma porta lógica de estado sólido – que pode operar em condições moderadas. Até agora, diz ele, os resultados parecem positivos.

Shen diz que esse resultado, embora desconcertante para a maioria, é claro como o dia para quem sabe.

“É como um quebra-cabeça”, disse ele. “Pode ser complicado de fazer, mas uma vez feito, apenas olhando para ele, você saberá que está correto.”

Referência: “Portões de fase controlada de dois fótons habilitados por dímeros fotônicos” por Zihao Chen, Yao Zhou, Jung-Tsung Shen, Pei-Cheng Ku e Duncan Steel, 21 de maio de 2021, Revisão Física A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.103.052610

Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, ECCS concede nos. 1608049 e 1838996. Também foi apoiado pelo Prêmio NSF Quantum Leap (RAISE) 2018.

A Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis promove investigação e educação independentes com ênfase na excelência científica, inovação e colaboração sem fronteiras. A McKelvey Engineering possui programas de pesquisa e pós-graduação de alto nível em todos os departamentos, especialmente em engenharia biomédica, engenharia ambiental e computação, e possui um dos programas de graduação mais seletivos do país. Com 140 professores em período integral, 1.387 alunos de graduação, 1.448 alunos de pós-graduação e 21 mil ex-alunos vivos, estamos trabalhando para resolver alguns dos maiores desafios da sociedade; preparar os alunos para se tornarem líderes e inovarem ao longo de suas carreiras; e ser um catalisador do desenvolvimento econômico para a região de St. Louis e além.