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​Um Pequeno Chip Ótico, um Grande Salto para a Computação Quântica

“Agora é possível executar experimentos com fótons da mesma forma como se opera um software em um computador.”

A última sexta-feira foi marcada pela revelação de um chip ótico reprogramável capaz de processar fótons em uma variedade infinita de formas. Esse desenvolvimento vai em direção à concretização de um computador quântico capaz de superar – e muito! – seus equivalentes tradicionais, um recurso tecnológico há muito sonhado.

O novo chip foi anunciado por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Bristol, na Inglaterra, e a empresa japonesa de telecomunicações Nippon Telegraph and Telephone como um "laboratório em um chip ótico quântico". O artefato é capaz de reunir experimentos quânticos preexistentes em um único dispositivo, o que reduz drasticamente o tempo e os recursos necessários para projetar e executar os experimentos capazes de testar teorias da computação quântica. O trabalho foi relatado em detalhes em um artigo da Science.

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"Todo um campo novo de pesquisa foi colocado em um único chip ótico facilmente controlado. As implicações do trabalho vão além da economia de recursos", afirmou o dr. Anthony Laing, pesquisador do Centro de Fotônica Quântica na Universidade de Bristol. "A partir de agora, quem quiser poderá executar seus próprios experimentos com fótons da mesma forma como se opera qualquer parte de um software em um computador."

A computação quântica foi postulada pelo renomado físico Richard Feynman em 1981 em resposta ao problema da simulação da mecânica quântica em um computador. O fato de a mecânica quântica, que lida com as interações entre átomos individuais e partículas, envolver tantas variáveis quanto a quantidade de memória exigida por um supercomputador tradicional para modelar as interações quânticas torna esse processo praticamente impossível.

Apesar de Feynman não ser o primeiro a reconhecer esse problema, ele foi o primeiro a propor uma solução: em vez de modelar a mecânica quântica em um computador tradicional, por que não criar um computador quântico?

"Conduzimos o equivalente a um ano de experimentos em questão de horas."

Nos 30 e tantos anos que decorreram desde a pergunta do físico, a corrida aconteceu para compreender o computador quântico de Feynman. As apostas são grandes: a computação quântica promete revolucionar todas as esferas, desde a criptografia à farmacologia, permitindo o desenvolvimento de medicamentos novos, pesquisas a bancos de dados mais rápidas e modelagem de interações quânticas, que, no passado, exigiam empreendimentos de IRL massivos e caros, como o Grande Colisor de Hádrons para observá-las.

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Apesar de as tecnologias quânticas já existirem, um computador quântico que supera os computadores tradicionais mais poderosos ainda está a anos de distância. O ritmo lento de desenvolvimento na computação quântica se deve em grande parte à dificuldade de construir e executar experimentos para testar teorias sobre a computação quântica, e à natureza volátil e delicada dos sistemas quânticos.

O chip ótico da equipe de Bristol e da Tippon pode ter escancarado as portas do desenvolvimento da computação quântica. Lidera uma nova era de processamento de informações quânticas à medida que os dispositivos são capazes de desempenhar experimentos "em questão de horas", quando anteriormente levariam meses para ser projetados e executados, além de desempenhar processos que antes eram impossíveis.

"Nosso chip é universal para a ótica linear, o que significa que ele pode implantar qualquer protocolo ótico linear concebível e útil para o processamento de informações quânticas com fótons", Laing me disse por e-mail. "Nenhum chip havia demonstrado protocolos diferentes como este."

Equipe de Bristol, da esquerda para a direita: Chris Sparrow, Chris Harrold, Jacques Carolan e dr. Anthony Laing. Crédito: University of Bristol

Até então, um chip poderia ser fabricado para uma tarefa específica, como uma porta quântica lógica. De acordo com Laing, o chip novo é tão versátil que é capaz de implantar uma porta quântica lógica e ótica nunca antes imaginada.

O chip ótico de silicone é como um equivalente à unidade de processamento central de um computador moderno, entretanto, em vez de ter seus dados codificados em bits digitais (na forma de 1 ou 0), a unidade de processamento ótico linear (LPU, em inglês) funciona na forma de códigos em qubits (representados por 1,0 ou uma sobreposição desses estados) em fótons polarizados. Ele pode processar fótons de uma forma variada e infinita em até seis modos, o que pode ser pensado como análogo aos canais ou fibras óticas.

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Tais abordagens óticas ao processamento quântico de informações carregam consigo vários benefícios, tais como a facilidade relativa com que os pesquisadores podem manter o entrelaçamento (no qual os estados quânticos de múltiplos qubits dependem um do outro) com um fóton em oposição a uma partícula. De acordo com Laing, há mais benefícios práticos, como o fato de que os fótons exibem ruído característico baixo, são bem isolados do ambiente e podem tirar vantagem da tecnologia já estabelecida da indústria de telecomunicações.

O que diferencia o LPU da equipe de outros chips óticos é a aparente facilidade com que o chip pode ser reprogramado para uso em experimentos diferentes. A fim de demonstrar a versatilidade do chip, a equipe conduziu diversos protocolos de informações quânticos. Exibiram com sucesso tarefas que não seriam possíveis anteriormente.

"O chip demonstrou operações lógicas entre os bits quânticos (qubits) que são portas lógicas básicas em um computador quântico", Laing afirmou, enumerando os experimentos demonstrados pela equipe com o chip.

"Ele também demonstrou operações de entrelaçamento entre qubits, que são um requisito básico para diferentes tipos de computadores quânticos, e demonstrou 100 experimentos de amostras de bósons, que é um protocolo computacional quântico designado para mostrar rapidamente que os fótons em ótica linear podem desempenhar uma tarefa que não pode ser pareada pelos computadores tradicionais comuns."

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O programa Quantum in the Cloud, da Universidade de Bristol, o primeiro do tipo a disponibilizar o processamento quântico ao público, planeja adicionar mais chips do tipo em seus serviços como esforço para disponibilizar publicamente a computação quântica. Essa acessibilidade se deve em parte à sobreposição crescente de investimentos públicos e privados na tecnologia de informação quântica, o que ajuda a explicar a parceria entre a Bristol e a Tippon.

De acordo com os pesquisadores, essa colaboração entre investimentos públicos e privados é necessária quando o objetivo é tornar a computação quântica possível, algo que se torna cada vez mais realista graças a avanços como o novo chip ótico. Como Lang apontou, "a NTT são os gênios da tecnologia de guias de onda e, para nós, faz todo o sentido trabalhar junto a eles para alcançar nossas ideias".

Enquanto Laing admitiu que ele e sua equipe tiveram muito trabalho no laboratório até que o chip tivesse menos aplicações experimentais, os sucessos detalhados no artigo da Science são bons presságios para o futuro do dispositivo, e o computador quântico ajudará a torná-lo realidade.

Basta dizer que, se ontem a computação quântica estava em sua infância, hoje ela pode ter chegado à puberdade.

Tradução: Amanda Guizzo Zampieri