O extenso arranjo de 6.100 qubits do Caltech aproxima o amanhã quântico

A Maior Rede de Qubits Jamais Montada

Agora, em um passo rumo a essa visão, físicos do Caltech criaram a maior rede de qubits já montada: 6.100 qubits de átomos neutros aprisionados em uma grade por lasers. Redes anteriores desse tipo continham apenas centenas de qubits.

A Corrida para Escalar os Computadores Quânticos

Esse marco ocorre em meio a uma corrida em rápida expansão para ampliar os computadores quânticos. Existem várias abordagens em desenvolvimento, incluindo aquelas baseadas em circuitos supercondutores, íons aprisionados e átomos neutros, como usado no novo estudo.

As Palavras dos Pesquisadores

“Este é um momento empolgante para a computação quântica com átomos neutros”, diz Manuel Endres, professor de física no Caltech. “Agora podemos ver um caminho para grandes computadores quânticos corrigidos por erros. Os blocos de construção estão no lugar.” Endres é o investigador principal da pesquisa publicada em 24 de setembro na Nature. Três alunos de graduação do Caltech lideraram o estudo: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura e Elie Bataille.

Utilizando Tweezers Ópticos

A equipe usou tweezers ópticos — feixes de laser altamente focados — para aprisionar milhares de átomos individuais de césio em uma grade. Para construir a rede de átomos, os pesquisadores dividiram um feixe de laser em 12.000 tweezers, que juntas mantinham 6.100 átomos em uma câmara de vácuo. “Na tela, podemos realmente ver cada qubit como um ponto de luz”, diz Manetsch. “É uma imagem impressionante do hardware quântico em grande escala.”

Qualidade na Maior Escala

Uma conquista chave foi mostrar que essa maior escala não sacrificou a qualidade. Mesmo com mais de 6.000 qubits em uma única rede, a equipe os manteve em superposição por cerca de 13 segundos — quase 10 vezes mais do que era possível em redes semelhantes anteriores — enquanto manipulava qubits individuais com 99,98% de precisão. “A grande escala, com mais átomos, muitas vezes é vista como um custo para a precisão, mas nossos resultados mostram que podemos fazer ambos”, diz Nomura. “Qubits não são úteis sem qualidade. Agora temos quantidade e qualidade.”

Movimentando os Átomos com Precisão

A equipe também demonstrou que poderia mover os átomos centenas de micrômetros pela rede enquanto mantinha a superposição. A capacidade de transportar qubits é um recurso chave dos computadores quânticos de átomos neutros que permite uma correção de erro mais eficiente em comparação com plataformas tradicionais, como qubits supercondutores.

Manetsch compara a tarefa de mover os átomos individuais enquanto os mantém em estado de superposição a equilibrar um copo de água enquanto corre. “Tentar segurar um átomo enquanto se move é como tentar não deixar o copo de água derramar. Tentar também manter o átomo em um estado de superposição é como ter cuidado para não correr tão rápido que a água respingue”, diz ela.

O Próximo Marco

O próximo grande marco para o campo é implementar a correção de erro quântico na escala de milhares de qubits físicos, e este trabalho mostra que átomos neutros são um forte candidato a alcançar isso. “Os computadores quânticos terão que codificar informações de uma maneira que tolere erros, para que possamos realmente realizar cálculos valiosos”, diz Bataille. “Ao contrário dos computadores clássicos, os qubits não podem simplesmente ser copiados devido ao chamado teorema da proibição de clonagem, então a correção de erros deve depender de estratégias mais sutis.”

Entanglement e seu Potencial

Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam conectar os qubits em sua rede em um estado de emaranhamento, onde partículas se tornam correlacionadas e se comportam como uma só. O emaranhamento é um passo necessário para que os computadores quânticos avancem além de simplesmente armazenar informações em superposição; o emaranhamento permitirá que eles comecem a realizar cálculos quânticos completos. É também o que confere aos computadores quânticos seu poder final — a capacidade de simular a própria natureza, onde o emaranhamento molda o comportamento da matéria em todas as escalas. O objetivo é claro: aproveitar o emaranhamento para desbloquear novas descobertas científicas, desde revelar novas fases da matéria até guiar o design de materiais inovadores e modelar os campos quânticos que governam o espaço-tempo.

Uma Nova Era na Aprendizagem Científica

“É emocionante que estamos criando máquinas para nos ajudar a aprender sobre o universo de maneiras que apenas a mecânica quântica pode nos ensinar”, diz Manetsch.

O novo estudo, “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits”, foi financiado pela Gordon and Betty Moore Foundation, pela Weston Havens Foundation, pela National Science Foundation através de seu Graduate Research Fellowship Program e pelo Institute for Quantum Information and Matter (IQIM) no Caltech, pelo Army Research Office, pelo U.S. Department of Energy, incluindo seu Quantum Systems Accelerator, pela Defense Advanced Research Projects Agency, pelo Air Force Office for Scientific Research, pela Heising-Simons Foundation e pela AWS Quantum Postdoctoral Fellowship. Outros autores incluem Kon H. Leung do Caltech, o associado de pesquisa sênior de pós-doutorado em física da AWS Quantum, bem como o ex-pesquisador de pós-doutorado do Caltech Xudong Lv, agora na Academia Chinesa de Ciências.