Imported Article – 2026-03-12 12:00:22

Uma equipe liderada por físicos da Universidade de Stanford desenvolveu um novo tipo de cavidade óptica que pode capturar de forma eficiente fótons individuais, as partículas básicas da luz, emitidas por átomos individuais. Esses átomos servem como os componentes centrais de um computador quântico, pois armazenam qubits, que são o equivalente quântico dos zeros e uns usados na computação tradicional. Pela primeira vez, essa abordagem permite coletar informações de todos os qubits de uma vez.

Cavidades Ópticas Permitem Leitura de Qubits mais Rápida

Em uma pesquisa publicada na Nature, a equipe descreve um sistema composto por 40 cavidades ópticas, cada uma contendo um qubit atômico, além de um protótipo maior que contém mais de 500 cavidades. Os resultados apontam para um caminho realista para a construção de redes de computação quântica que poderiam, um dia, incluir até um milhão de qubits.

“Se quisermos fazer um computador quântico, precisamos ser capazes de ler as informações dos bits quânticos muito rapidamente”, disse Jon Simon, autor sênior do estudo e professor associado de física e de física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “Até agora, não havia uma maneira prática de fazer isso em grande escala porque os átomos simplesmente não emitem luz rápido o suficiente e, além disso, a dispersam em todas as direções. Uma cavidade óptica pode direcionar eficientemente a luz emitida em uma direção específica, e agora encontramos uma maneira de equipar cada átomo em um computador quântico dentro de sua própria cavidade individual.”

Como Cavidades Ópticas Controlam a Luz

Uma cavidade óptica funciona aprisionando luz entre duas ou mais superfícies refletoras, fazendo com que ela rebata. O efeito pode ser comparado a estar entre espelhos em uma casa de espelhos, onde os reflexos parecem se estender indefinidamente na distância. Em configurações científicas, essas cavidades são muito menores e usam passagens repetidas de um feixe de laser para extrair informações dos átomos.

Embora cavidades ópticas tenham sido estudadas por décadas, elas têm sido difíceis de usar com átomos, pois estes são extremamente pequenos e quase transparentes. Fazer com que a luz interaja com eles de maneira forte o suficiente tem sido um desafio persistente.

Um Novo Design Usando Microlentes

Em vez de depender de muitas reflexões repetidas, a equipe de Stanford introduziu microlentes dentro de cada cavidade para focar a luz de forma precisa em um único átomo. Mesmo com menos saltos de luz, esse método se mostrou mais eficaz em extrair informações quânticas do átomos.

“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade; não são mais apenas dois espelhos”, disse Adam Shaw, um Fellow de Ciência de Stanford e autor principal do estudo. “Esperamos que isso nos permita construir computadores quânticos distribuídos dramaticamente mais rápidos que possam se comunicar com taxas de dados muito mais rápidas.”

Além dos Limites Binários da Computação Clássica

Computadores convencionais processam informações usando bits que representam zero ou um. Computadores quânticos operam usando qubits, que se baseiam nos estados quânticos de partículas minúsculas. Um qubit pode representar zero, um ou ambos os estados ao mesmo tempo, permitindo que sistemas quânticos realizem certos cálculos de maneira muito mais eficiente do que máquinas clássicas.

“Um computador clássico tem que examinar possibilidades uma a uma, em busca da resposta correta”, disse Simon. “Mas um computador quântico atua como fones de ouvido com cancelamento de ruído que comparam combinações de respostas, amplificando as corretas enquanto abafam as erradas.”

Crescendo em Direção a Supercomputadores Quânticos

Cientistas estimam que computadores quânticos precisarão de milhões de qubits para superar os supercomputadores mais poderosos de hoje. Segundo Simon, atingir esse nível provavelmente exigirá a conexão de muitos computadores quânticos em grandes redes. A interface baseada em luz paralela demonstrada neste estudo fornece uma base eficiente para escalar até esses tamanhos.

Os pesquisadores mostraram uma matriz funcional de 40 cavidades no estudo atual, além de um sistema de prova de conceito contendo mais de 500 cavidades. Seu próximo objetivo é expandir para dezenas de milhares. Olhando mais adiante, a equipe imagina centros de dados quânticos nos quais computadores quânticos individuais estão conectados através de interfaces de rede baseadas em cavidades para formar supercomputadores quânticos em plena escala.

Impacto Científico e Tecnológico Mais Amplo

Desafios de engenharia significativos ainda permanecem, mas os pesquisadores acreditam que os benefícios potenciais são substanciais. Computadores quânticos de grande escala poderiam levar a inovações em design de materiais e síntese química, incluindo aplicações relacionadas à descoberta de medicamentos, bem como avanços na quebra de códigos.

A capacidade de coletar luz de forma eficiente também tem implicações além da computação. Matrizes de cavidades poderiam melhorar a biossensibilidade e a microscopia, apoiando progressos na pesquisa médica e biológica. Redes quânticas podem até contribuir com a astronomia, permitindo telescópios ópticos com resolução aprimorada, potencialmente permitindo que os cientistas observem diretamente planetas que orbitam estrelas além do nosso sistema solar.

“À medida que entendemos mais sobre como manipular a luz em um nível de única partícula, acredito que isso transformará nossa capacidade de ver o mundo”, disse Shaw.

​​Simon também é Professor Joan Reinhart de Física e Física Aplicada. Shaw também é um Fellow de Felix Bloch e um Fellow de Urbanek-Chodorow.

Os co-autores adicionais de Stanford incluem David Schuster, Professor Joan Reinhart de Física Aplicada, e os estudantes de doutorado Anna Soper, Danial Shadmany e Da-Yeon Koh.

Outros co-autores incluem pesquisadores da Universidade Stony Brook, da Universidade de Chicago, da Universidade de Harvard e da Universidade Estadual de Montana.

Esta pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciência, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, do Escritório de Pesquisa do Exército, da Fundação Hertz e do Departamento de Defesa dos EUA.

Matt Jaffe, da Universidade Estadual de Montana, e Simon atuam como consultores e possuem opções de ações na Atom Computing. Shadmany, Jaffe, Schuster e Simon, bem como Aishwarya Kumar de Stony Brook, possuem uma patente sobre a geometria do ressonador demonstrada neste trabalho.