Novo Paradigma da Computação Quântica: Jogo

Por Laboratório Nacional de Los Alamos 26 de agosto de 2023

A estratégia de computação quântica utiliza um campo magnético simples para girar qubits, como os spins dos elétrons, em um sistema quântico natural.

O uso de interações quânticas naturais permite uma computação mais rápida e robusta para o algoritmo de Grover e muitos outros.

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> abordagem de computação quântica usando interações quânticas naturais. Este método promete qubits de vida mais longa, resolução eficiente de problemas com o algoritmo de Grover e resiliência significativa a erros.

Uma abordagem teórica potencialmente revolucionária para o hardware de computação quântica contorna grande parte da complexidade problemática encontrada nos computadores quânticos atuais. A estratégia implementa um algoritmo em interações quânticas naturais para processar uma variedade de problemas do mundo real mais rapidamente do que os computadores clássicos ou computadores quânticos convencionais baseados em portas.

“Nossa descoberta elimina muitos requisitos desafiadores para hardware quântico”, disse Nikolai Sinitsyn, físico teórico do Laboratório Nacional de Los Alamos. Ele é coautor de um artigo sobre a abordagem, publicado em 14 de agosto na revista Physical Review A. “Os sistemas naturais, como os spins eletrônicos dos defeitos do diamante, têm precisamente o tipo de interações necessárias para o nosso processo de computação”.

Sinitsyn disse que a equipe espera colaborar com físicos experimentais também em Los Alamos para demonstrar sua abordagem usando átomos ultrafrios. As tecnologias modernas em átomos ultrafrios são suficientemente avançadas para demonstrar tais cálculos com cerca de 40 a 60 qubits, disse ele, o que é suficiente para resolver muitos problemas atualmente não acessíveis pela computação clássica ou binária. Um qubit é a unidade básica de informação quântica, análoga a um bit na computação clássica familiar.

Em vez de estabelecer um sistema complexo de portas lógicas entre vários qubits que devem todos partilhar o emaranhamento quântico, a nova estratégia utiliza um campo magnético simples para rodar os qubits, como os spins dos eletrões, num sistema natural. A evolução precisa dos estados de spin é tudo o que é necessário para implementar o algoritmo. Sinitsyn disse que a abordagem poderia ser usada para resolver muitos problemas práticos propostos para computadores quânticos.

A computação quântica continua sendo um campo nascente, prejudicado pela dificuldade de conectar qubits em longas cadeias de portas lógicas e manter o emaranhado quântico necessário para a computação. O emaranhamento se desfaz em um processo conhecido como decoerência, à medida que os qubits emaranhados começam a interagir com o mundo fora do sistema quântico do computador, introduzindo erros. Isso acontece rapidamente, limitando o tempo de cálculo. A verdadeira correção de erros ainda não foi implementada em hardware quântico.

A nova abordagem depende do emaranhamento natural e não do induzido, por isso requer menos conexões entre qubits. Isso reduz o impacto da decoerência. Assim, os qubits vivem por um tempo relativamente longo, disse Sinitsyn.

O artigo teórico da equipe de Los Alamos mostrou como a abordagem poderia resolver um problema de particionamento de números usando o algoritmo de Grover mais rapidamente do que os computadores quânticos existentes. Sendo um dos algoritmos quânticos mais conhecidos, permite pesquisas não estruturadas de grandes conjuntos de dados que consomem recursos de computação convencionais. Por exemplo, disse Sinitsyn, o algoritmo de Grover pode ser usado para dividir o tempo de execução de tarefas igualmente entre dois computadores, para que terminem ao mesmo tempo, junto com outras tarefas práticas. O algoritmo é adequado para computadores quânticos idealizados e com correção de erros, embora seja difícil de implementar nas máquinas atuais propensas a erros.

Os computadores quânticos são construídos para realizar cálculos muito mais rápido do que qualquer dispositivo clássico, mas têm sido extremamente difíceis de realizar até agora, disse Sinitsyn. Um computador quântico convencional implementa circuitos quânticos – sequências de operações elementares com diferentes pares de qubits.