Dentro deste computador quântico, a memória vibra como uma corda de violão

Diferente dos sons produzidos por um instrumento musical, essas vibrações ocorrem em frequências muito além da audição humana. Elas acontecem dentro de um minúsculo chip quântico, onde servem como uma nova forma de memória de computador.

Ao aproveitar essas vibrações, os pesquisadores criaram uma maneira para os computadores quânticos processarem informações de forma eficiente enquanto acessam uma memória de trabalho flexível. "A interação entre o processador quântico e a memória quântica fornece uma base crucial com vista a estabelecer os computadores quânticos como uma forma poderosa e confiável de realizar cálculos que não são viáveis com computadores convencionais", diz Yiwen Chu.

O avanço, descrito na revista Science, introduz uma abordagem diferente para o design de computadores quânticos. Em vez de integrar intimamente o processamento e o armazenamento de informações, como muitos sistemas existentes fazem, a equipe de Chu desenvolveu uma arquitetura que confere a essas funções papéis mais distintos.

Memória Quântica Inspirada em Computadores Convencionais

Os pesquisadores buscaram inspiração no design básico dos computadores digitais cotidianos. Em uma máquina convencional, a unidade central de processamento (CPU) realiza cálculos enquanto a informação é mantida separadamente na memória de trabalho, comumente chamada de memória de acesso aleatório (RAM). A disposição desses componentes desempenha um papel importante na determinação da eficiência com que um computador opera.

O sistema quântico de Chu segue um princípio semelhante. Um qubit supercondutor atua como a unidade de processamento e controle, desempenhando um papel comparável ao da unidade central de processamento (CPU). Enquanto isso, uma memória quântica separada retém temporariamente as informações necessárias durante os cálculos, permitindo que o processador as recupere e modifique conforme necessário.

A principal diferença reside em como essa informação é armazenada.

"Em nossa memória de trabalho quântica, no entanto, a informação não é armazenada eletromagneticamente -- como costuma ser o caso hoje -- mas sim na forma de vibrações mecânicas", explica Chu.

Os computadores quânticos aproveitam propriedades incomuns da física quântica, incluindo a superposição, que permite que os sistemas quânticos existam em combinações de estados diferentes, e o emaranhamento, que cria conexões poderosas entre estados quânticos. Esses efeitos poderiam eventualmente permitir que máquinas quânticas enfrentassem certos cálculos extremamente complicados muito mais rápido do que os computadores convencionais, incluindo some problemas que estão atualmente além de suas capacidades práticas.

Por que a Memória Quântica Vibratória Pode Ser Melhor

Um dos maiores desafios na computação quântica é manter um controle preciso sobre a informação quântica. Os estados usados para cálculos são delicados, e mesmo pequenas perturbações podem fazer com que a informação seja perdida. Para realizar cálculos de forma confiável, o processador e a memória devem interagir de forma suficientemente próxima para transferir e manipular estados quânticos com alta precisão.

No novo sistema, estruturas microscópicas chamadas ressonadores mecânicos mantêm a informação em padrões específicos de vibração. Quando o qubit supercondutor precisa dessa informação, ele acessa o estado vibracional armazenado, realiza a operação necessária e devolve a informação modificada para a memória.

Muitos computadores quânticos existentes usam, em vez disso, memória eletromagnética junto com qubits supercondutores. Os pesquisadores entendem bem essas tecnologias, e elas podem ser combinadas para fornecer um controle extremamente preciso sobre os estados quânticos, incluindo a leitura, alteração e manipulação de informações armazenadas.

No entanto, os sistemas de memória eletromagnética têm uma desvantagem significativa. Eles podem ocupar um espaço considerável, tornando difícil expandir dispositivos quânticos experimentais para os computadores maiores e mais capazes que pesquisadores e indústrias ultimamente precisam.

Os ressonadores mecânicos oferecem várias vantagens potenciais. Eles são substancialmente menores, permitindo designs mais compactos. Eles também podem suportar vários padrões diferentes de vibração, oferecendo oportunidades para armazenar mais informações simultaneamente do que a memória eletromagnética convencional.

Outro benefício importante é que as vibrações mecânicas podem preservar estados quânticos por períodos mais longos antes que a informação armazenada comece a desaparecer. Tempos de armazenamento mais longos poderiam facilitar a realização de cálculos complicados que exigem que a informação permaneça disponível ao longo de várias etapas de processamento.

Novo Computador Quântico Passa em Testes Importantes

A pesquisa publicada na Science fornece a primeira demonstração experimental de que ressonadores mecânicos podem trabalhar em conjunto com qubits supercondutores para realizar computações quânticas. Os resultados estabelecem que a memória baseada em vibração é uma alternativa viável ao armazenamento eletromagnético.

A conquista vai além do simples armazenamento de informações. A equipe de Chu demonstrou que sua arquitetura pode lidar tanto com cálculos relativamente diretos quanto com operações quânticas mais exigentes.

Para avaliar o sistema, os pesquisadores testaram duas técnicas computacionais importantes: a transformada quântica de Fourier e a busca de período. Ambas são ferramentas fundamentais na computação quântica e exigem que um computador coordene múltiplos estados quânticos com precisão considerável.

"A Transformada Quântica de Fourier é um procedimento computacional fundamental exigido para muitos algoritmos quânticos. O algoritmo de busca de período que implementamos serviu como uma demonstração de como este procedimento pode ser usado", explica Igor Kladaric, estudante de doutorado na equipe de Chu e coautor da publicação.

Concluir essas tarefas com sucesso exige que o sistema armazene, controle e mantenha relações coerentes entre múltiplos estados quânticos ao mesmo tempo. Os experimentos mostraram que a nova arquitetura pode atender a esses requisitos, fornecendo fortes evidências de que ela pode suportar a computação quântica genuína, em vez de simplesmente funcionar como um dispositivo de memória.

Um Passo Promissor em Direção a Computadores Quânticos Poderosos

Uma das descobertas mais significativas é que o novo sistema pode, em princípio, realizar todas as operações fundamentais necessárias para computações quânticas arbitrárias. Isso significa que a arquitetura possui as capacidades essenciais exigidas para um computador quântico programável de uso geral.

No entanto, demonstrar essas capacidades em um chip experimental é apenas o começo. O próximo grande desafio é escalar a tecnologia para sistemas maiores com maior poder de processamento, preservando a precisão e a confiabilidade demonstradas no laboratório.

Chu e seus colegas continuam a investigar como sua abordagem pode ser desenvolvida ainda mais. Seu sucesso a longo prazo dependerá de se a memória quântica mecânica poderá permanecer eficaz à medida que mais componentes e cálculos cada vez mais complexos forem adicionados.

Computadores quânticos práticos, poderosos o suficiente para aplicações científicas e industriais generalizadas, ainda estão a uma certa distância. No entanto, ao mostrar que minúsculas vibrações mecânicas podem servir como memória quântica compacta e capaz, a equipe da ETH Zurich demonstrou um novo caminho promissor para tornar essas máquinas uma realidade.