Computador quântico pode chegar a 100.000 qubits atômicos

Qubits atômicos

No final do ano passado, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia fez história ao construir um processador quântico com 6.100 qubits muito especiais: Os qubits são átomos neutros, endereçáveis individualmente por meio de pinças ópticas.

Agora, uma equipe da Universidade de Colúmbia otimizou ainda mais aquele arranjo. Embora tenham conseguido colocar “apenas” 1.000 qubits em seu chip, os pesquisadores demonstraram que é possível ampliar essa arquitetura até a casa dos 100.000 qubits.

Os átomos representam um caminho promissor para manipular as propriedades necessárias para os computadores quânticos, como superposição e entrelaçamento, porque todos os átomos são idênticos, dispensando a necessidade de caracterizá-los e sincronizá-los – este é um problema desafiador para outras arquiteturas, como os mais usados qubits semicondutores.

“Os átomos são os qubits da natureza; perfeitamente idênticos e extremamente abundantes. O gargalo sempre foi encontrar uma maneira de controlá-los em grande escala,” disse o pesquisador Aaron Holman.

Pinças ópticas de metassuperfície

O grande progresso feito agora está em uma nova abordagem para gerar as matrizes de pinças ópticas necessárias para manipular, ler e endereçar cada um dos qubits atômicos.

A solução foi encontrada nas promissoras e versáteis metassuperfícies, estruturas ópticas planas compostas por uma matriz bidimensional de “píxeis” de tamanho nanométrico. Esses píxeis são na verdade nanoantenas, que moldam cada feixe de luz que passa pela metassuperfície em um padrão único.

Nesta demonstração, as nanoantenas são muito menores do que o comprimento de onda da luz que manipulam, medindo menos de 200 nanômetros (nm), em comparação com a luz de 520 nm usada para as pinças ópticas. É uma miniaturização sem precedentes, além do que se torna possível gerar diretamente uma matriz de pinças ópticas, dispensando equipamentos adicionais que são volumosos, caros e limitam o tamanho final da matriz.

A metassuperfície é feita de nitreto de silício e dióxido de titânio, tudo compatível com a tecnologia da microeletrônica. Esses materiais permitem que a estrutura suporte lasers extremamente potentes, com intensidades ópticas superiores a 2000 W/mm2, cerca de um milhão de vezes mais intensas que a luz solar ao atingir a Terra. “A capacidade das metassuperfícies de suportar alta potência, aliada à escalabilidade da nanofabricação em sala limpa de dispositivos cada vez maiores e mais precisos, torna nossa plataforma excepcionalmente capaz de viabilizar matrizes de pinças ópticas em larga escala,” disse o professor Yuan Xu.

Computadores, simuladores e relógios

A equipe demonstrou a versatilidade da plataforma de pinças ópticas baseadas em metassuperfície aprisionando átomos em uma série de arranjos 2D altamente uniformes. Os padrões incluíram uma rede quadrada com 1.024 sítios (um sítio é um ponto no espaço no qual se pode alojar um qubit), padrões de quasicristais e até um contorno da Estátua da Liberdade, com centenas de sítios.

A grande estrela do trabalho é uma metassuperfície de 3,5 mm de diâmetro, contendo mais de 100 milhões de píxeis em uma matriz de 600 x 600, o que resulta em 360.000 pinças ópticas em uma única estrutura monolítica – isso é 100 vezes mais do que a capacidade das tecnologias usadas até agora.

A escalabilidade desses conjuntos de qubits de átomos neutros poderá beneficiar não apenas os computadores quânticos, mas também outras tecnologias de átomos neutros, como os simuladores quânticos, que permitem modelar fenômenos complexos de muitos corpos, e relógios atômicos ópticos que poderiam ser implantados fora dos laboratórios.