No final do ano passado, a gigante tecnológica IBM anunciou o que pode parecer um marco na computação quântica: o primeiro chip, chamado Condor, com mais de 1,000 bits quânticos, ou qubits. Dado que isso aconteceu apenas dois anos depois que a empresa revelou o Eagle, o primeiro chip com mais de 100 qubits, parecia que o campo estava avançando. Fazer computadores quânticos que possam resolver problemas úteis além do escopo até mesmo dos mais poderosos supercomputadores clássicos de hoje exige aumentá-los ainda mais – talvez para muitas dezenas ou centenas de milhares de qubits. Mas isso certamente é apenas uma questão de engenharia, certo?

Não necessariamente. Os desafios da expansão são tão grandes que alguns investigadores pensam que será necessário um hardware totalmente diferente da microelectrónica utilizada por empresas como a IBM e a Google. Os qubits do Condor e do chip Sycamore do Google são feitos de loops de material supercondutor. Até agora, esses qubits supercondutores têm sido a lebre na corrida para a computação quântica em grande escala. Mas agora há uma tartaruga vindo de trás: qubits feitos de átomos individuais.

Avanços recentes transformaram esses “qubits de átomos neutros” de estranhos em concorrentes líderes.

“Os últimos dois ou três anos testemunharam avanços mais rápidos do que qualquer período anterior”, disse o físico Mark Saffman, da Universidade de Wisconsin, Madison, que contou pelo menos cinco empresas correndo para comercializar a computação quântica de átomos neutros.

Como os bits em computadores comuns, os qubits codificam informações binárias – 1s e 0s. Mas enquanto um bit está sempre num estado ou noutro, a informação num qubit pode ficar indeterminada, numa chamada “superposição” que dá peso a ambas as possibilidades. Para realizar um cálculo, os qubits são interligados por meio do fenômeno denominado emaranhamento quântico, que torna seus possíveis estados interdependentes. Um algoritmo quântico específico pode exigir uma sucessão de emaranhados entre diferentes conjuntos de qubits, e a resposta é lida no final do cálculo quando uma medição é feita, reduzindo cada superposição a um 1 ou 0 definido.

A ideia de usar os estados quânticos de átomos neutros para codificar informações desta forma foi proposto no início dos anos 2000 pelo físico de Harvard Mikhail Lukin e colegas, e tb por um grupo liderado por Ivan Deutsch da Universidade do Novo México. Durante muito tempo, a comunidade de investigação mais ampla concordou que a computação quântica de átomos neutros era uma grande ideia em princípio, disse Lukin, mas que “simplesmente não funciona” na prática.

“Mas 20 anos depois, as outras abordagens não fecharam o negócio”, disse Saffman. “E o conjunto de habilidades e as técnicas necessárias para fazer os átomos neutros funcionarem têm evoluído gradualmente até o ponto em que parecem muito promissores.”

O laboratório de Lukin em Harvard está entre os que lideram o caminho. Em dezembro, ele e seus colegas relatado que eles criaram circuitos quânticos programáveis ​​com centenas de qubits de átomos neutros e realizaram cálculos quânticos e correção de erros com eles. E este mês, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia relatado que eles criaram uma matriz de 6,100 qubits atômicos. Tais resultados estão conquistando cada vez mais adeptos a esta abordagem.

“Dez anos atrás, eu não teria incluído esses métodos [de átomos neutros] se estivesse protegendo as apostas no futuro da computação quântica”, disse André Steane, um teórico da informação quântica da Universidade de Oxford. “Isso teria sido um erro.”

Batalha de Qubits

Uma questão chave na competição entre tipos de qubits é por quanto tempo cada tipo de qubit pode manter sua superposição antes de ser alterado por alguma flutuação aleatória (por exemplo, térmica). Para qubits supercondutores como os da IBM e do Google, esse “tempo de coerência” é normalmente em torno de um milissegundo, na melhor das hipóteses. Todas as etapas de uma computação quântica devem acontecer dentro desse prazo.

Uma vantagem de codificar informações nos estados de átomos individuais é que seus tempos de coerência são normalmente muito mais longos. Além disso, ao contrário dos circuitos supercondutores, os átomos de um determinado tipo são todos idênticos, pelo que não são necessários sistemas de controlo personalizados para introduzir e manipular estados quânticos subtilmente diferentes.

E embora a fiação usada para conectar qubits supercondutores em circuitos quânticos possa se tornar terrivelmente complicada – ainda mais à medida que o sistema aumenta – nenhuma fiação é necessária no caso dos átomos. Todo o emaranhamento é feito com luz laser.

Este benefício inicialmente apresentou um desafio. Há uma tecnologia bem desenvolvida para criar circuitos e fios microeletrônicos complicados, e uma razão provável pela qual a IBM e o Google investiram inicialmente em qubits supercondutores não é porque estes eram obviamente os melhores, mas porque exigiam o tipo de circuito ao qual essas empresas estão acostumadas, disse Stuart Adams, um físico da Universidade de Durham, no Reino Unido, que trabalha com computação quântica de átomos neutros. “A óptica atômica baseada em laser parecia totalmente desconhecida para eles. Toda a engenharia é completamente diferente.”

Qubits feitos de átomos eletricamente carregados – conhecidos como íons – também podem ser controlados com luz, e os íons foram considerados por muito tempo melhores candidatos a qubit do que átomos neutros. Devido à sua carga, os íons são relativamente fáceis de capturar em campos elétricos. Os pesquisadores criaram armadilhas iônicas suspendendo os íons em uma pequena cavidade de vácuo em temperaturas ultrabaixas (para evitar oscilações térmicas), enquanto os raios laser os alternam entre diferentes estados de energia para manipular as informações. Computadores quânticos com armadilha de íons com dezenas de qubits já foram demonstrados, e várias startups estão desenvolvendo a tecnologia para comercialização. “Até agora, o sistema com o melhor desempenho em termos de fidelidade, controle e coerência foram os íons presos”, disse Saffman.

Aprisionar átomos neutros é mais difícil porque não há carga para segurar. Em vez disso, os átomos são imobilizados em campos de luz intensa criados por raios laser, chamados pinças ópticas. Os átomos normalmente preferem ficar onde o campo de luz é mais intenso.

E há um problema com os íons: todos eles têm carga elétrica do mesmo sinal. Isso significa que os qubits se repelem. Colocar muitos deles no mesmo espaço pequeno fica mais difícil quanto mais íons houver. Com átomos neutros, não existe tal tensão. Isso, dizem os pesquisadores, torna os qubits de átomos neutros muito mais escaláveis.

Além do mais, os íons presos são organizados em uma fileira (ou, recentemente, em um “looping”).pista de corridas”). Essa configuração torna difícil entrelaçar um qubit de íon com outro que esteja, digamos, 20 casas ao longo da linha. “As armadilhas de íons são inerentemente unidimensionais”, disse Adams. “Você tem que organizá-los em uma linha, e é muito difícil ver como você chega a mil qubits dessa maneira.”

Matrizes de átomos neutros podem ser uma grade bidimensional, que é muito mais fácil de aumentar. “Você pode colocar muita coisa no mesmo sistema, e eles não interagem quando você não quer”, disse Saffman. Seu grupo e outros capturaram mais de 1,000 átomos neutros dessa maneira. “Acreditamos que podemos embalar dezenas ou até centenas de milhares em um dispositivo em escala centimétrica”, disse ele.

Na verdade, no seu trabalho recente, a equipa do Caltech criou um conjunto de pinças ópticas de cerca de 6,100 átomos neutros de césio, embora ainda não tenham realizado quaisquer cálculos quânticos com eles. Esses qubits também tiveram tempos de coerência de impressionantes 12.6 segundos, um recorde até agora para esse tipo de qubit.

O bloqueio de Rydberg

Para que dois ou mais qubits fiquem emaranhados, eles precisam interagir entre si. Os átomos neutros “sentem” a presença uns dos outros por meio das chamadas forças de van der Waals, que surgem da maneira como um átomo responde às flutuações na nuvem de elétrons de outro átomo próximo. Mas essas forças fracas só são sentidas quando os átomos estão extremamente próximos. Manipular átomos normais com a precisão necessária usando campos de luz simplesmente não pode ser feito.

Como Lukin e os seus colegas salientaram na sua proposta original em 2000, a distância de interacção pode ser dramaticamente aumentada se aumentarmos o tamanho dos próprios átomos. Quanto mais energia um elétron tem, mais ele tende a se afastar do núcleo atômico. Se um laser for usado para bombear um elétron para um estado de energia muito maior do que aqueles normalmente encontrados nos átomos – chamado estado de Rydberg em homenagem ao físico sueco Johannes Rydberg, que na década de 1880 estudou a maneira como os átomos emitem luz em comprimentos de onda discretos – o elétron pode vagar milhares de vezes mais longe do núcleo do que o normal.

Este aumento de tamanho permite que dois átomos mantidos separados por vários micrômetros – perfeitamente viável em armadilhas ópticas – interajam.

Para implementar um algoritmo quântico, os pesquisadores primeiro codificam informações quânticas em um par de níveis de energia atômica, usando lasers para alternar elétrons entre os níveis. Eles então emaranham os estados dos átomos ativando as interações de Rydberg entre eles. Um determinado átomo pode ser excitado para um estado de Rydberg ou não, dependendo de qual dos dois níveis de energia seu elétron está - apenas um deles está na energia certa para ressoar com a frequência do laser de excitação. E se o átomo estiver interagindo com outro, essa frequência de excitação muda ligeiramente, de modo que o elétron não ressoará com a luz e não será capaz de dar o salto. Isso significa que apenas um ou outro de um par de átomos em interação pode sustentar um estado de Rydberg a qualquer momento; seus estados quânticos estão correlacionados – ou em outras palavras, emaranhados. Este chamado bloqueio de Rydberg, primeiro proposto por Lukin e colegas em 2001 como uma forma de emaranhar qubits de átomos de Rydberg, é um efeito de tudo ou nada: ou há um bloqueio de Rydberg ou não. “O bloqueio de Rydberg torna digitais as interações entre os átomos”, disse Lukin.

No final do cálculo, os lasers leem os estados dos átomos: se um átomo estiver no estado ressonante com a iluminação, a luz será espalhada, mas se estiver no outro estado, não haverá espalhamento.

Em 2004, uma equipe da Universidade de Connecticut demonstraram um bloqueio de Rydberg entre átomos de rubídio, preso e resfriado a apenas 100 microkelvins acima do zero absoluto. Eles resfriaram os átomos usando lasers para “sugar” a energia térmica dos átomos. A abordagem significa que, ao contrário dos qubits supercondutores, os átomos neutros não requerem resfriamento criogênico nem refrigerantes pesados. Estes sistemas podem, portanto, ser tornados muito compactos. “O aparelho como um todo está à temperatura ambiente”, disse Saffman. “A um centímetro desses átomos superfrios, você tem uma janela de temperatura ambiente.”

Em 2010, Saffman e seus colegas de trabalho relatado a primeira porta lógica - um elemento fundamental dos computadores, no qual um ou mais sinais de entrada binários geram uma saída binária específica - feita a partir de dois átomos usando o bloqueio de Rydberg. Depois, o que é crucial, em 2016, a equipa e os grupos de investigação de Lukin em França e na Coreia do Sul, todos independentemente descobrir como carregar muitos átomos neutros em matrizes de armadilhas ópticas e movê-las à vontade. “Esta inovação trouxe nova vida ao campo”, disse Stephan Durr do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, que usa átomos de Rydberg para experimentos em processamento de informação quântica baseado em luz.

Grande parte do trabalho até agora utiliza átomos de rubídio e césio, mas o físico Jeff Thompson da Universidade de Princeton prefere codificar as informações nos estados de spin nuclear de átomos metálicos como estrôncio e itérbio, que têm tempos de coerência ainda mais longos. Em outubro passado, Thompson e colegas relatado portas lógicas de dois qubit feitas a partir desses sistemas.

E os bloqueios de Rydberg não precisam ser entre átomos isolados. No verão passado, Adams e seus colegas de trabalho mostrou que eles poderiam criar um bloqueio de Rydberg entre um átomo e uma molécula presa, que eles fizeram artificialmente usando uma pinça óptica para puxar um átomo de césio próximo a um átomo de rubídio. A vantagem dos sistemas híbridos átomo-molécula é que os átomos e as moléculas têm energias muito diferentes, o que poderia facilitar a manipulação de um sem afetar os outros. Além do mais, os qubits moleculares podem ter tempos de coerência muito longos. Adams enfatiza que tais sistemas híbridos estão pelo menos 10 anos atrás dos sistemas totalmente atômicos, e o emaranhamento de dois desses qubits ainda não foi alcançado. “Os sistemas híbridos são realmente difíceis”, disse Thompson, “mas provavelmente seremos forçados a fazê-los em algum momento”.

Qubits de alta fidelidade

Nenhum qubit é perfeito: todos podem incorrer em erros. E se estes não forem detectados e corrigidos, eles embaralharão o resultado do cálculo.

Mas um grande obstáculo para toda a computação quântica é que os erros não podem ser identificados e corrigidos como acontece nos computadores clássicos, onde um algoritmo simplesmente monitora em que estados os bits estão, fazendo cópias. A chave para a computação quântica é que os estados dos qubits permanecem indeterminados até que o resultado final seja lido. Se você tentar medir esses estados antes desse ponto, o cálculo será encerrado. Como, então, os qubits podem ser protegidos contra erros que nem conseguimos monitorar?

Uma resposta é espalhar informações por muitos qubits físicos — constituindo um único “qubit lógico” — para que um erro em um deles não corrompa as informações que eles codificam coletivamente. Isso só se torna prático se o número de qubits físicos necessários para cada qubit lógico não for muito grande. Essa sobrecarga depende em parte do algoritmo de correção de erros usado.

Qubits lógicos com correção de erros foram demonstrados com qubits supercondutores e de íons aprisionados, mas até recentemente não estava claro se eles podem ser feitos de átomos neutros. Isso mudou em dezembro, quando a equipe de Harvard revelou conjuntos de várias centenas de átomos de rubídio presos e executou algoritmos em 48 qubits lógicos, cada um feito de sete ou oito átomos físicos. Os pesquisadores usaram o sistema para conduzir uma operação lógica simples chamada porta NOT controlada, na qual os estados 1 e 0 de um qubit são invertidos ou deixados inalterados dependendo do estado de um segundo qubit de “controle”. Para conduzir os cálculos, os pesquisadores moveram os átomos entre três regiões distintas na câmara de captura: uma matriz de átomos, uma região de interação (ou “zona de portão”) onde átomos específicos foram arrastados e emaranhados usando o bloqueio de Rydberg, e uma zona de leitura. . Tudo isso é possível, disse Adams, porque “o sistema Rydberg oferece toda essa capacidade de embaralhar qubits e decidir quem está interagindo com quem, o que lhe dá uma flexibilidade que os qubits supercondutores não têm”.

A equipe de Harvard demonstrou técnicas de correção de erros para alguns algoritmos simples de qubits lógicos, embora para os maiores, com 48 qubits lógicos, eles apenas tenham alcançado a detecção de erros. De acordo com Thompson, estas últimas experiências mostraram que “podem rejeitar preferencialmente resultados de medição com erros e, portanto, identificar um subconjunto de resultados com erros mais baixos”. Essa abordagem é chamada de pós-seleção e, embora possa desempenhar um papel na correção quântica de erros, não resolve o problema por si só.

Os átomos de Rydberg podem se prestar a novos códigos de correção de erros. O usado no trabalho de Harvard, chamado código de superfície, “é muito popular, mas também muito ineficiente”, disse Saffman; tende a exigir muitos qubits físicos para formar um qubit lógico. Outros códigos de correção de erros propostos, mais eficientes, exigem interações de longo alcance entre qubits, não apenas pares de vizinhos mais próximos. Os praticantes da computação quântica de átomos neutros acham que as interações Rydberg de longo alcance deveriam estar à altura da tarefa. “Estou extremamente otimista de que os experimentos nos próximos dois a três anos nos mostrarão que as despesas gerais não precisam ser tão ruins quanto as pessoas pensavam”, disse Lukin.

Embora ainda haja mais a ser feito, Steane considera o trabalho de Harvard “uma mudança radical no grau em que os protocolos de correção de erros foram implementados em laboratório”.

Girando

Avanços como esses fazem com que os qubits do átomo de Rydberg se igualem a seus concorrentes. “A combinação de portas de alta fidelidade, o grande número de qubits, medições de alta precisão e conectividade flexível nos permitem considerar o arranjo de átomos de Rydberg como um verdadeiro concorrente dos qubits supercondutores e de íons aprisionados”, disse Steane.

Em comparação com qubits supercondutores, a tecnologia custa uma fração do custo de investimento. O grupo Harvard tem uma empresa spinoff chamada QuEra, que já criou um processador quântico Rydberg de 256 qubits chamado Águia - um “simulador quântico” analógico, que pode executar simulações de sistemas de muitas partículas quânticas — disponível na nuvem em parceria com a plataforma de computação quântica Braket da Amazon. QuEra também está trabalhando para avançar na correção de erros quânticos.

Saffman ingressou em uma empresa chamada inflexão, que está desenvolvendo a plataforma óptica de átomo neutro para sensores e comunicações quânticas, bem como para computação quântica. “Eu não ficaria surpreso se uma das grandes empresas de TI firmasse algum tipo de parceria com uma dessas spinoffs em breve”, disse Adams.

“Fazer correção de erros escalonável com qubits de átomos neutros é definitivamente possível”, disse Thompson. “Acho que 10,000 qubits de átomos neutros são claramente possíveis dentro de alguns anos.” Além disso, ele acha que as limitações práticas na potência e resolução do laser exigirão projetos modulares em que várias matrizes de átomos distintas estão ligadas entre si.

Se isso acontecer, quem sabe o que resultará disso? “Ainda nem sabemos o que podemos fazer com a computação quântica”, disse Lukin. “Eu realmente espero que esses novos avanços nos ajudem a responder a essas perguntas.”