Salto Quântico: Redefinindo a Solução de Problemas Complexos

Os computadores quânticos, utilizando qubits versáteis, estão na vanguarda da solução de problemas complexos de otimização, como o dilema do caixeiro viajante, tradicionalmente atormentado pela ineficiência computacional. Através de análises matemáticas rigorosas, os investigadores demonstraram que a computação quântica pode transformar fundamentalmente a resolução de problemas, oferecendo um aumento polinomial mais eficiente no tempo de computação em comparação com os métodos clássicos e produzindo soluções superiores.

O problema do caixeiro viajante é considerado um excelente exemplo de problema de otimização combinatória. Agora, uma equipe de Berlim liderada pelo físico teórico Prof. Jens Eisert da Freie Universität Berlin e HZB mostrou que uma certa classe de tais problemas pode realmente ser resolvida melhor e muito mais rápido com computadores quânticos do que com métodos convencionais. Os computadores quânticos usam os chamados qubits, que não são zero nem um como nos circuitos lógicos convencionais, mas podem assumir qualquer valor intermediário. Esses qubits são realizados por átomos altamente resfriados, íons ou circuitos supercondutores, e ainda é fisicamente muito complexo construir um computador quântico com muitos qubits. No entanto, métodos matemáticos já podem ser usados ​​para explorar o que os computadores quânticos tolerantes a falhas poderão alcançar no futuro. “Existem muitos mitos sobre isso e, às vezes, uma certa quantidade de ar quente e exagero. Mas abordamos o assunto com rigor, utilizando métodos matemáticos, e entregamos resultados sólidos sobre o assunto. Acima de tudo, esclarecemos em que sentido pode haver alguma vantagem”, diz o Prof. Jens Eisert, que dirige um grupo de pesquisa conjunto na Freie Universität Berlin e no Helmholtz-Zentrum Berlin.

O problema do caixeiro viajante é um clássico da matemática. Um viajante deve visitar N cidades pelo caminho mais curto e retornar ao ponto de partida. À medida que o número N aumenta, o número de rotas possíveis explode. Este problema pode então ser resolvido usando métodos de aproximação. Os computadores quânticos poderiam fornecer soluções significativamente melhores e mais rapidamente. Crédito: HZB

Resolvendo Problemas Complexos

O conhecido problema do caixeiro-viajante serve como um excelente exemplo: um viajante tem que visitar várias cidades e depois retornar à sua cidade natal. Qual é o caminho mais curto? Embora este problema seja fácil de entender, torna-se cada vez mais complexo à medida que o número de cidades aumenta e o tempo de cálculo explode. O problema do caixeiro viajante representa um conjunto de problemas de otimização de enorme importância económica, quer envolvam redes ferroviárias, logística ou otimização de recursos. Soluções suficientemente boas podem ser encontradas usando métodos de aproximação.

O presente trabalho (seta) mostra que uma certa parte dos problemas combinatórios pode ser resolvida muito melhor com computadores quânticos, possivelmente até com exatidão. Crédito: HZB/Eisert

Soluções e avanços quânticos

A equipe liderada por Jens Eisert e seu colega Jean-Pierre Seifert usou agora métodos puramente analíticos para avaliar como um computador quântico com qubits poderia resolver esta classe de problemas. Um experimento mental clássico com caneta e papel e muita experiência. “Simplesmente assumimos, independentemente da realização física, que existem qubits suficientes e analisamos as possibilidades de realizar operações computacionais com eles”, explica Vincent Ulitzsch, estudante de doutoramento na Universidade Técnica de Berlim. Ao fazê-lo, revelaram semelhanças com um problema bem conhecido na criptografia, ou seja, a encriptação de dados. “Percebemos que poderíamos usar o algoritmo Shor para resolver uma subclasse desses problemas de otimização”, diz Ulitzsch. Isto significa que o tempo de computação não “explode” mais com o número de cidades (exponencial, 2^N), mas só aumenta polinomialmente, ou seja, com N^x, onde x é uma constante. A solução obtida desta forma também é qualitativamente muito melhor que a solução aproximada usando o algoritmo convencional. “Mostramos que para uma classe específica, mas muito importante e praticamente relevante de problemas de otimização combinatória, os computadores quânticos têm uma vantagem fundamental sobre os computadores clássicos para certas instâncias do problema”, diz Eisert. Referência: “Uma vantagem quântica superpolinomial em princípio para aproximar problemas de otimização combinatória por meio da teoria de aprendizagem computacional” por Niklas Pirnay, Vincent Ulitzsch, Frederik Wilde, Jens Eisert e Jean-Pierre Seifert, 15 de março de 2024, Avanços da Ciência. DOI: 10.1126/sciadv.adj5170 https://w3b.com.br/salto-quantico-redefinindo-a-solucao-de-problemas-complexos/?feed_id=9037&_unique_id=6695c072aec51

Embaralhamento quântico: reações químicas que rivalizam com buracos negros

Embaralhamento quântico: reações químicas que rivalizam

Os cientistas descobriram que as moléculas embaralham informações quânticas a taxas comparáveis ​​às dos buracos negros, afetando as reações químicas e oferecendo insights para controlar os sistemas de computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com

Uma pesquisa da Universidade Rice e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign mostrou que as moléculas podem embaralhar informações quânticas tão eficazmente quanto os buracos negros, com implicações para a física química e

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica. Se você jogasse uma mensagem contida em uma garrafa em um

buraco negro

Um buraco negro é um lugar no espaço onde o campo gravitacional é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar dele. Os astrônomos classificam os buracos negros em três categorias por tamanho: buracos negros em miniatura, estelares e supermassivos. Os buracos negros em miniatura poderiam ter uma massa menor que o nosso Sol e os buracos negros supermassivos poderiam ter uma massa equivalente a bilhões do nosso Sol.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">buraco negro, todas as informações contidas nele, até o nível quântico, ficariam completamente embaralhadas. Como nos buracos negros esta confusão acontece tão rápida e completamente quanto a mecânica quântica permite, eles são geralmente considerados os derradeiros misturadores de informação da natureza. Uma nova pesquisa do teórico da Universidade Rice, Peter Wolynes, e de colaboradores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, no entanto, mostrou que as moléculas podem ser tão formidáveis ​​na mistura de informações quânticas quanto os buracos negros. Combinando ferramentas matemáticas da física dos buracos negros e da física química, eles mostraram que a confusão de informações quânticas ocorre em reações químicas e pode atingir quase o mesmo limite da mecânica quântica que ocorre nos buracos negros. O trabalho está publicado on-line no Anais da Academia Nacional de Ciências.

Reações Químicas e Embaralhamento Quântico

“Este estudo aborda um problema de longa data na física química, que tem a ver com a questão de quão rápido a informação quântica é embaralhada nas moléculas”, disse Wolynes. “Quando as pessoas pensam em uma reação em que duas moléculas se unem, elas pensam que os átomos realizam apenas um único movimento onde uma ligação é feita ou quebrada. “Mas do ponto de vista da mecânica quântica, mesmo uma molécula muito pequena é um sistema muito complicado. Muito parecido com as órbitas do sistema solar, uma molécula tem um grande número de estilos possíveis de movimento – coisas que chamamos de estados quânticos. Quando ocorre uma reação química, a informação quântica sobre os estados quânticos dos reagentes fica embaralhada, e queremos saber como a confusão de informações afeta a taxa de reação.”

Chenghao Zhang (esquerda) e Sohang Kundu. Crédito: Foto de Zhang por Bill Wiegand/Universidade de Illinois Urbana-Champaign; foto de Kundu cortesia de Sohang Kundu

Para entender melhor como a informação quântica é embaralhada nas reações químicas, os cientistas pegaram emprestada uma ferramenta matemática normalmente usada na física dos buracos negros, conhecida como correlacionadores de ordem fora do tempo, ou OTOCs. “Os OTOCs foram inventados em um contexto muito diferente há cerca de 55 anos, quando foram usados ​​para observar como os elétrons em supercondutores são afetados por perturbações causadas por uma impureza”, disse Wolynes. “Eles são um objeto muito especializado usado na teoria da supercondutividade. Eles foram usados ​​​​em seguida por físicos na década de 1990, estudando buracos negros e teoria das cordas.” Os OTOCs medem o quanto o ajuste de uma parte de um sistema quântico em algum momento afetará os movimentos das outras partes – fornecendo informações sobre a rapidez e eficácia com que a informação pode se espalhar por toda a molécula. Eles são o análogo quântico dos expoentes de Lyapunov, que medem a imprevisibilidade em sistemas caóticos clássicos. “A rapidez com que um OTOC aumenta com o tempo indica a rapidez com que as informações estão sendo embaralhadas no sistema quântico, o que significa quantos estados de aparência aleatória estão sendo acessados”, disse Martin Gruebele, químico de Illinois Urbana-Champaign e coautor do livro. estudo que faz parte do Centro Conjunto Rice-Illinois para Adaptação de Falhas como Recursos, financiado pela National Science Foundation. “Os químicos estão muito em conflito com o embaralhamento nas reações químicas, porque o embaralhamento é necessário para atingir o objetivo da reação, mas também atrapalha o seu controle sobre a reação. “Compreender em que circunstâncias as moléculas embaralham informações e em que circunstâncias elas potencialmente não o fazem nos dá uma ideia de como realmente podemos controlar melhor as reações. Conhecer os OTOCs basicamente nos permite estabelecer limites sobre quando essas informações estão realmente desaparecendo do nosso controle e, inversamente, quando ainda podemos aproveitá-las para ter resultados controlados.”

Peter Wolynes (da esquerda), Nancy Makri e Martin Gruebele. Crédito: Foto de Wolynes Gustavo Raskosky/Rice University; foto de Makri cortesia de Nancy Makri; foto de Gruebele por Fred Zwicky / Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Na mecânica clássica, uma partícula deve ter energia suficiente para superar uma barreira de energia para que ocorra uma reação. No entanto, na mecânica quântica, existe a possibilidade de que as partículas possam “tunelar” através desta barreira mesmo que não possuam energia suficiente. O cálculo dos OTOCs mostrou que as reações químicas com baixa energia de ativação em baixas temperaturas, onde predomina o tunelamento, podem embaralhar informações quase no limite quântico, como um buraco negro. Nancy Makri, também química em Illinois Urbana-Champaign, usou métodos de integral de caminho que desenvolveu para estudar o que acontece quando o modelo de reação química simples é incorporado em um sistema maior, que poderia ser as vibrações da própria molécula grande ou um solvente, e tende a para suprimir o movimento caótico. “Num estudo separado, descobrimos que ambientes grandes tendem a tornar as coisas mais regulares e a suprimir os efeitos de que estamos a falar”, disse Makri. “Portanto, calculamos o OTOC para um sistema de túneis interagindo com um ambiente grande, e o que vimos foi que a confusão foi extinta – uma grande mudança no comportamento.”

Aplicações Práticas e Pesquisas Futuras

Uma área de aplicação prática para os resultados da pesquisa é estabelecer limites sobre como os sistemas de tunelamento podem ser usados ​​para construir qubits para computadores quânticos. É preciso minimizar o embaralhamento de informações entre sistemas de tunelamento em interação para melhorar a confiabilidade dos computadores quânticos. A pesquisa também pode ser relevante para reações acionadas pela luz e design de materiais avançados. “Há potencial para estender essas ideias a processos onde você não estaria apenas tunelando em uma reação específica, mas onde você teria múltiplas etapas de tunelamento, porque é isso que está envolvido, por exemplo, na condução de elétrons em muitas das novas tecnologias suaves. materiais quânticos como perovskitas que estão sendo usados ​​para fabricar células solares e coisas assim”, disse Gruebele. Referência: “Embaralhamento de informações quânticas e reações químicas” por Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele e Peter G. Wolynes, 1º de abril de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências. DOI: 10.1073/pnas.2321668121 Wolynes é professor de ciências da Fundação DR Bullard-Welch da Rice, professor de química, bioquímica e biologia celular, física e astronomia e ciência de materiais e nanoengenharia e codiretor de seu Centro de Física Teórica Biológica, que é financiado pela National Science Fundação. Co-autores Gruebele é o James R. Eiszner Endowed Chair in Chemistry; Makri é professor Edward William e Jane Marr Gutgsell e professor de química e física; Chenghao Zhang era estudante de pós-graduação em física em Illinois Urbana-Champaign e agora é pós-doutorado no Pacific Northwest National Lab; e Sohang Kundu recebeu recentemente seu Ph.D. em química pela Universidade de Illinois e atualmente é pós-doutorado na

Universidade Columbia

A Columbia University é uma universidade privada de pesquisa da Ivy League na cidade de Nova York, fundada em 1754. Isso a torna a instituição de ensino superior mais antiga de Nova York e a quinta mais antiga dos Estados Unidos. Muitas vezes é chamada apenas de Columbia, mas seu nome oficial é Columbia University, na cidade de Nova York.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">Universidade de Columbia. A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) e pela Cátedra Bullard-Welch em Rice (C-0016). https://w3b.com.br/embaralhamento-quantico-reacoes-quimicas-que-rivalizam-com-buracos-negros/?feed_id=6769&_unique_id=666a23133f243

Quebrando os Limites: Superando a Incerteza de Heisenberg nas Medições Quânticas

Uma ilustração artística mostra como bolômetros microscópicos (representados à direita) podem ser usados ​​para detectar radiação muito fraca emitida por qubits (representados à esquerda). Crédito: Aleksandr Käkinen/Universidade Aalto

Os pesquisadores da Universidade Aalto são os primeiros no mundo a medir qubits com detectores térmicos ultrassensíveis – evitando assim o princípio da incerteza de Heisenberg. Buscar contagens cada vez maiores de qubits em computadores quânticos de curto prazo exige constantemente novos feitos de engenharia. Entre os obstáculos problemáticos desta corrida de expansão está o refinamento da forma como os qubits são medidos. Dispositivos chamados amplificadores paramétricos são tradicionalmente usados ​​para fazer essas medições. Mas, como o nome sugere, o dispositivo amplifica sinais fracos captados dos qubits para conduzir a leitura, o que causa ruído indesejado e pode levar à decoerência dos qubits se não for protegido por componentes grandes adicionais. Mais importante ainda, o tamanho volumoso da cadeia de amplificação torna-se tecnicamente desafiador para contornar à medida que a contagem de qubits aumenta em refrigeradores de tamanho limitado.

Medição Qubit baseada em bolômetro

Deixe o grupo de pesquisa da Universidade Aalto, Computação Quântica e Dispositivos (QCD). Eles têm um histórico robusto de mostrar como bolômetros térmicos podem ser usados ​​como detectores ultrassensíveis, e acabaram de demonstrar em 10 de abril Eletrônica da Natureza papel que as medições do bolômetro podem ser precisas o suficiente para leitura de qubit de disparo único.

Superando o Princípio da Incerteza de Heisenberg

Para desgosto de muitos físicos, o princípio da incerteza de Heisenberg determina que não se pode conhecer simultaneamente a posição e o momento de um sinal, ou a tensão e a corrente, com

precisão

Quão próximo o valor medido está do valor correto.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">precisão. O mesmo acontece com medições de qubit conduzidas com amplificadores paramétricos de tensão-corrente. Mas a detecção de energia bolométrica é um tipo de medição fundamentalmente diferente – servindo como um meio de escapar à infame regra de Heisenberg. Como um bolômetro mede potência, ou

fóton

Um fóton é uma partícula de luz. É a unidade básica da luz e de outras radiações eletromagnéticas e é responsável pela força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os fótons não têm massa, mas têm energia e momento. Eles viajam à velocidade da luz no vácuo e podem ter diferentes comprimentos de onda, que correspondem a diferentes cores de luz. Os fótons também podem ter energias diferentes, que correspondem a diferentes frequências de luz.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">fóton número, não é obrigado a adicionar ruído quântico decorrente do princípio da incerteza de Heisenberg da mesma forma que os amplificadores paramétricos.

A vantagem dos nanobolômetros

Ao contrário dos amplificadores, os bolômetros detectam sutilmente os fótons de micro-ondas emitidos pelo qubit por meio de uma interface de detecção minimamente invasiva. Este formato é aproximadamente 100 vezes menor que seu equivalente amplificador, tornando-o extremamente atraente como dispositivo de medição.

Evolução e perspectivas da medição quântica

“Ao pensar em um futuro quântico supremo, é fácil imaginar que contagens altas de qubits na casa dos milhares ou mesmo milhões poderiam ser comuns. Uma avaliação cuidadosa da pegada de cada componente é absolutamente necessária para esta expansão massiva. Nós mostramos no Eletrônica da Natureza artigo que nossos nanobolômetros poderiam ser seriamente considerados como uma alternativa aos amplificadores convencionais”, diz Mikko Möttönen, professor da Universidade Aalto, que dirige o grupo de pesquisa QCD. “Em nossos primeiros experimentos, descobrimos que esses bolômetros são precisos o suficiente para leitura única, livres de ruído quântico adicional, e consomem 10.000 vezes menos energia do que os amplificadores típicos – tudo em um minúsculo bolômetro, cuja parte sensível à temperatura pode caber dentro de uma única bactéria”, explica Möttönen. A fidelidade de disparo único é uma métrica importante que os físicos usam para determinar a precisão com que um dispositivo pode detectar o estado de um qubit em apenas uma medição, em oposição a uma média de múltiplas medições. No caso dos experimentos do grupo QCD, eles conseguiram obter uma fidelidade de disparo único de 61,8% com uma duração de leitura de aproximadamente 14 microssegundos. Ao corrigir o tempo de relaxamento de energia do qubit, a fidelidade salta para 92,7%.

Aprimoramentos futuros para leitura bolométrica

“Com pequenas modificações, poderíamos esperar ver bolômetros se aproximando da desejada fidelidade de disparo único de 99,9% em 200 nanossegundos. Por exemplo, podemos trocar o material do bolômetro de metal por

grafeno

O grafeno é um alótropo de carbono na forma de uma única camada de átomos em uma rede hexagonal bidimensional na qual um átomo forma cada vértice. É o elemento estrutural básico de outros alótropos de carbono, incluindo grafite, carvão, nanotubos de carbono e fulerenos. Em proporção à sua espessura, é cerca de 100 vezes mais resistente que o aço mais resistente.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">grafeno, que tem uma capacidade térmica menor e pode detectar rapidamente mudanças muito pequenas em sua energia. E ao remover outros componentes desnecessários entre o bolômetro e o próprio chip, podemos não apenas fazer melhorias ainda maiores na fidelidade da leitura, mas também podemos obter um dispositivo de medição menor e mais simples que torna mais viável a ampliação para contagens de qubit mais altas”, diz András Gunyhó, primeiro autor do artigo e pesquisador de doutorado no grupo QCD. Antes de demonstrar a alta fidelidade de leitura única dos bolômetros em seu artigo mais recente, o grupo de pesquisa QCD mostrou pela primeira vez que os bolômetros podem ser usados ​​para medições de microondas ultrassensíveis em tempo real em 2019. Eles então publicaram em 2020 um artigo na Nature mostrando como bolômetros feitos de grafeno podem reduzir o tempo de leitura bem abaixo de um microssegundo. Referência: “Leitura única de um qubit supercondutor usando um detector térmico” por András M. Gunyhó, Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemelä, Giacomo Catto, Vasilii Vadimov, Visa Vesterinen, Priyank Singh, Qiming Chen e Mikko Möttönen, 10 de abril de 2024, Eletrônica da Natureza. DOI: 10.1038/s41928-024-01147-7 O trabalho foi realizado no Centro de Excelência em Tecnologia Quântica (QTF) do Conselho de Pesquisa da Finlândia, usando a infraestrutura de pesquisa OtaNano em colaboração com o Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia e a IQM Quantum Computers. Foi financiado principalmente pelo Advanced Grant ConceptQ do Conselho Europeu de Pesquisa e pelo Programa Future Makers da Fundação Jane e Aatos Erkko e pela Fundação Centenário das Indústrias Tecnológicas da Finlândia.

https://w3b.com.br/quebrando-os-limites-superando-a-incerteza-de-heisenberg-nas-medicoes-quanticas/?feed_id=6391&_unique_id=66623a906aacb

A torção magnética: supercondutores híbridos revelam o potencial da computação quântica

  A torção magnética: supercondutores híbridos revelam o potencial da computação quântica

Os pesquisadores criaram um novo supercondutor híbrido que integra propriedades magnéticas, abrindo caminho para uma computação quântica mais estável. Crédito: SciTechDaily.com

Uma equipe internacional que inclui pesquisadores da Universidade de Würzburg conseguiu criar um estado especial de supercondutividade. Esta descoberta pode avançar no desenvolvimento de computadores quânticos. Supercondutores são materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência elétrica – o que os torna o material de base ideal para componentes eletrônicos em máquinas de ressonância magnética, trens de levitação magnética e até mesmo aceleradores de partículas. No entanto, os supercondutores convencionais são facilmente perturbados pelo magnetismo. Um grupo internacional de pesquisadores conseguiu agora construir um dispositivo híbrido que consiste em um supercondutor próximo estável aprimorado por magnetismo e cuja função pode ser controlada especificamente. Eles combinaram o supercondutor com um material semicondutor especial conhecido como isolante topológico. “Isoladores topológicos são materiais que conduzem eletricidade em sua superfície, mas não em seu interior. Isto se deve à sua estrutura topológica única, ou seja, ao arranjo especial dos elétrons”, explica o professor Charles Gould, físico do Instituto de Isoladores Topológicos da Universidade de Würzburg (JMU). “O interessante é que podemos equipar isoladores topológicos com átomos magnéticos para que possam ser controlados por um ímã.”

Porta-amostras para medições em milikelvin (-273 °C). Crédito: Mandal/JMU, seitlich erweitert com Firefly

Os supercondutores e isoladores topológicos foram acoplados para formar a chamada junção Josephson, uma conexão entre dois supercondutores separados por uma fina camada de material não supercondutor. “Isso nos permitiu combinar as propriedades da supercondutividade e

semicondutores

Semicondutores são um tipo de material que possui condutividade elétrica entre a de um condutor (como o cobre) e a de um isolante (como a borracha). Os semicondutores são usados ​​em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, incluindo transistores, diodos, células solares e circuitos integrados. A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser controlada adicionando impurezas ao material por meio de um processo denominado dopagem. O silício é o material mais utilizado para dispositivos semicondutores, mas outros materiais, como arsenieto de gálio e fosfeto de índio, também são usados ​​em certas aplicações.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">semicondutores”, diz Gould. “Assim combinamos as vantagens de um supercondutor com a controlabilidade do isolador topológico. Usando um campo magnético externo, podemos agora controlar com precisão as propriedades supercondutoras. Este é um verdadeiro avanço na física quântica!”

Supercondutividade encontra magnetismo

A combinação especial cria um estado exótico em que a supercondutividade e o magnetismo são combinados – normalmente são fenómenos opostos que raramente coexistem. Isso é conhecido como estado Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO) induzido por proximidade. O novo “supercondutor com função de controle” pode ser importante para aplicações práticas, como o desenvolvimento de computadores quânticos. Ao contrário dos computadores convencionais, os computadores quânticos não são baseados em bits, mas em bits quânticos (qubits), que podem assumir não apenas dois, mas vários estados simultaneamente. “O problema é que os bits quânticos são atualmente muito instáveis ​​porque são extremamente sensíveis a influências externas, como campos elétricos ou magnéticos”, diz o físico Gould. “Nossa descoberta pode ajudar a estabilizar bits quânticos para que possam ser usados ​​em computadores quânticos no futuro.”

Equipe Internacional de Pesquisa Quântica

A pesquisa experimental foi realizada por uma equipe da Cátedra de Física Experimental III do Professor Laurens W. Molenkamp em Würzburg. Foi realizado em estreita colaboração com especialistas teóricos do grupo do Professor F. Sebastian Bergeret do Centro de Física de Materiais (CFM) em San Sebastian, Espanha, e do Professor Teun M. Klapwijk da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. Referência: “Supercorrente magneticamente sintonizável em junções Josephson baseadas em isolante topológico magnético diluído” por Pankaj Mandal, Soumi Mondal, Martin P. Stehno, Stefan Ilić, F. Sebastian Bergeret, Teun M. Klapwijk, Charles Gould e Laurens W. Molenkamp, ​​1 abril de 2024, Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567-024-02477-1 O grupo de pesquisa internacional foi financiado pelo Cluster of Excellence ct.qmat (Complexidade e Topologia em Materiais Quânticos), pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), pelo Estado Livre da Baviera, pela Agencia Estatal de Investigación espanhola (AEI), pela European Research programa Horizonte 2020 e o Programa Avançado de Subvenções do ERC da UE. A torção magnética: supercondutores híbridos revelam o potencial da computação quântica

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Redefinindo a comunicação quântica: pesquisadores resolveram um problema fundamental na transmissão de informações quânticas

Pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio resolveram um problema fundamental na transmissão de informações quânticas, o que poderia aumentar drasticamente a utilidade dos circuitos integrados e da computação quântica. Crédito: Instituto de Ciência Industrial, Universidade de Tóquio

A eletrônica quântica representa um afastamento significativo da eletrônica convencional. Nos sistemas tradicionais, a memória é armazenada em dígitos binários. Em contraste, a eletrônica quântica utiliza qubits para armazenamento, que podem assumir várias formas, incluindo elétrons presos em nanoestruturas conhecidas como pontos quânticos. No entanto, a capacidade de transmitir informações além do ponto quântico adjacente representa um desafio substancial, limitando assim as possibilidades de design para qubits. Agora, em um estudo publicado recentemente em Cartas de revisão física, pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio estão resolvendo este problema: eles desenvolveram uma nova tecnologia para transmitir informações quânticas, talvez em dezenas a cem micrômetros. Este avanço poderia melhorar a funcionalidade da próxima eletrônica quântica.

O Mecanismo de Transmissão

Como os pesquisadores podem transmitir informações quânticas, de um ponto quântico para outro, no mesmo chip de computador quântico? Uma maneira poderia ser converter informações de elétrons (matéria) em informações de luz (ondas eletromagnéticas): gerando estados híbridos luz-matéria. Trabalhos anteriores foram incompatíveis com as necessidades de um elétron no processamento de informações quânticas. Melhorar a transmissão de informações quânticas em alta velocidade de uma forma que seja mais flexível no design e compatível com as ferramentas de fabricação de semicondutores disponíveis foi atualmente o objetivo do estudo da equipe de pesquisa. “Em nosso trabalho, acoplamos alguns elétrons no ponto quântico a um circuito elétrico conhecido como ressonador de anel dividido de tera-hertz”, explica Kazuyuki Kuroyama, principal autor do estudo. “O design é simples e adequado para integração em larga escala.” Trabalhos anteriores basearam-se no acoplamento do ressonador com um conjunto de milhares a dezenas de milhares de elétrons. Na verdade, a força do acoplamento é baseada no grande tamanho deste conjunto. Em contraste, o presente sistema confina apenas alguns elétrons, o que é adequado para o processamento de informação quântica. No entanto, tanto os elétrons quanto as ondas eletromagnéticas tera-hertz estão confinados a uma área ultra pequena. Portanto, a força do acoplamento é comparável em força à dos sistemas de muitos elétrons. “Estamos entusiasmados porque usamos estruturas que são difundidas em nanotecnologia avançada – e são comumente integradas na fabricação de semicondutores – para ajudar a resolver um problema prático de transmissão de informação quântica”, disse Kazuhiko Hirakawa, autor sênior. “Também esperamos aplicar nossas descobertas à compreensão da física fundamental dos estados acoplados luz-elétron.” Este trabalho é um passo importante na resolução de um problema anteriormente incômodo na transmissão de informações quânticas que tem aplicações limitadas de descobertas laboratoriais. Além disso, essa interconversão luz-matéria é considerada uma das arquiteturas essenciais para computadores quânticos de grande escala baseados em pontos quânticos semicondutores. Como os resultados dos pesquisadores são baseados em materiais e procedimentos comuns na fabricação de semicondutores, a implementação prática deve ser simples. Referência: “Interação coerente de um ponto quântico de poucos elétrons com um ressonador óptico Tera-hertz” por Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa e Kazuhiko Hirakawa, 9 de fevereiro de 2024. Cartas de revisão física. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.066901

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Computação quântica encontra a genômica o surgimento da análise hiper-rápida de DNA

Uma colaboração pioneira foi estabelecida para focar no uso da computação quântica para aprimorar a genômica. A equipe desenvolverá algoritmos para acelerar a análise de conjuntos de dados pangenômicos, o que poderá revolucionar a medicina personalizada e o gerenciamento de patógenos. Crédito: SciTechDaily.com

Um novo projeto une especialistas líderes mundiais em

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

Computação quântica e genômica para desenvolver novos métodos e algoritmos para processar dados biológicos. Os pesquisadores pretendem aproveitar a computação quântica para acelerar a genômica, melhorando nossa compreensão

ADN

DNA, ou ácido desoxirribonucleico, é uma molécula composta por duas longas cadeias de nucleotídeos que se enrolam para formar uma dupla hélice. É o material hereditário dos humanos e de quase todos os outros organismos que carrega instruções genéticas para o desenvolvimento, funcionamento, crescimento e reprodução. Quase todas as células do corpo de uma pessoa têm o mesmo DNA. A maior parte do DNA está localizada no núcleo da célula (onde é chamada de DNA nuclear), mas uma pequena quantidade de DNA também pode ser encontrada nas mitocôndrias (onde é chamada de DNA mitocondrial ou mtDNA).

DNA e impulsionando avanços na medicina personalizada Foi formada uma nova colaboração, unindo uma equipe interdisciplinar líder mundial com habilidades em computação quântica, genômica e algoritmos avançados. O objetivo deles é enfrentar um dos problemas computacionais mais desafiadores da ciência genômica: construir, aumentar e analisar conjuntos de dados pangenômicos para grandes amostras populacionais. Seu projeto está na fronteira da pesquisa tanto na ciência biomédica quanto na computação quântica. O projeto, que envolve pesquisadores do Universidade de Cambridgeo Instituto Wellcome Sangere EMBL Instituto Europeu de Bioinformática (EMBL-EBI)recebeu até US$ 3,5 milhões para explorar o potencial da computação quântica para melhorias na saúde humana. A equipe pretende desenvolver algoritmos de computação quântica com potencial para acelerar a produção e análise de pangenomas – novas representações de sequências de DNA que capturam a diversidade populacional. Seus métodos serão projetados para funcionar em computadores quânticos emergentes. O projeto é um dos 12 selecionados mundialmente para o Programa de Desafio Apoiado Wellcome Leap Quantum for Bio (Q4Bio).

Avanços na Genômica

Desde o sequenciamento inicial do genoma humano há mais de duas décadas, a genômica revolucionou a ciência e a medicina. Menos de um por cento dos 6,4 mil milhões de letras do código do ADN diferem de um ser humano para outro, mas são essas diferenças genéticas que tornam cada um de nós único. Nosso código genético pode fornecer informações sobre nossa saúde, ajudar a diagnosticar doenças ou orientar tratamentos médicos. No entanto, a sequência do genoma humano de referência, com a qual o DNA humano sequenciado posteriormente é comparado, é baseada em dados de apenas algumas pessoas e não representa a diversidade humana. Os cientistas têm trabalhado para resolver este problema há mais de uma década e, em 2023, o primeira referência ao pangenoma humano foi produzido. Um pangenoma é uma coleção de muitas sequências genômicas diferentes que capturam a diversidade genética de uma população. Pangenomas poderiam potencialmente ser produzidos para todos

espécies

Uma espécie é um grupo de organismos vivos que compartilham um conjunto de características comuns e são capazes de procriar e produzir descendentes férteis. O conceito de espécie é importante na biologia, pois é usado para classificar e organizar a diversidade da vida. Existem diferentes formas de definir uma espécie, mas a mais amplamente aceita é o conceito biológico de espécie, que define uma espécie como um grupo de organismos que podem cruzar e produzir descendentes viáveis ​​na natureza. Esta definição é amplamente utilizada na biologia evolutiva e na ecologia para identificar e classificar organismos vivos.

O coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave (SARS-CoV-2) é o nome oficial da cepa do vírus que causa a doença do coronavírus (COVID-19). Antes da adoção desse nome, ele era comumente referido como o novo coronavírus de 2019 (2019-nCoV), o coronavírus Wuhan ou o vírus Wuhan.

Computação Quântica em Genômica

A pangenômica, um novo domínio da ciência, exige altos níveis de poder computacional. Embora a estrutura do genoma de referência humano existente seja linear, os dados do pangenoma podem ser representados e analisados ​​como uma rede, chamada gráfico de sequência, que armazena a estrutura compartilhada das relações genéticas entre muitos genomas. Comparar genomas individuais subsequentes com o pangenoma envolve mapear uma rota para suas sequências através do gráfico. Neste novo projeto, a equipe pretende desenvolver abordagens de computação quântica com potencial para acelerar os principais processos de mapeamento de dados para nós gráficos e encontrar boas rotas através do gráfico. As tecnologias quânticas estão preparadas para revolucionar a computação de alto desempenho. A computação clássica armazena informações como bits, que são binários – 0 ou 1. No entanto, um computador quântico trabalha com partículas que podem estar em superposição de diferentes estados simultaneamente. Em vez de bits, as informações em um computador quântico são representadas por qubits (bits quânticos), que podem assumir o valor 0 ou 1, ou estar em um estado de superposição entre 0 e 1. Ele aproveita a mecânica quântica para permitir soluções para problemas que não são práticos de resolver usando computadores clássicos.

Desafios e Perspectivas Futuras

No entanto, o atual hardware de computador quântico é inerentemente sensível ao ruído e à decoerência, pelo que aumentá-lo apresenta um imenso desafio tecnológico. Embora tenham havido experiências e demonstrações emocionantes de prova de conceito, os computadores quânticos de hoje permanecem limitados em tamanho e poder computacional, o que restringe sua aplicação prática. Mas espera-se que avanços significativos em hardware quântico surjam nos próximos três a cinco anos. O Wellcome Leap Q4Bio Challenge é baseado na premissa de que os primeiros dias de qualquer novo método computacional avançarão e se beneficiarão mais do codesenvolvimento de aplicativos, software e hardware – permitindo otimizações com sistemas iniciais ainda não generalizáveis. Com base em métodos de genómica computacional de última geração, a equipa irá desenvolver, simular e depois implementar novos algoritmos quânticos, utilizando dados reais. Os algoritmos e métodos serão testados e refinados inicialmente em poderosos ambientes de computação de alto desempenho (HPC) existentes, que serão usados ​​como simulações do hardware de computação quântica esperado. Eles testarão algoritmos primeiro usando pequenos trechos de sequência de DNA, trabalhando até o processamento de sequências genômicas relativamente pequenas, como o SARS-CoV-2, antes de passar para o genoma humano, muito maior.

Perspectivas da equipe

Sergii Strelchuk, investigador principal do projeto do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica da Universidade de Cambridge, disse: “A estrutura de muitos problemas desafiadores em genômica computacional e pangenômica em particular os torna candidatos adequados para acelerações prometidas pela computação quântica. . Estamos em uma jornada emocionante para desenvolver e implantar algoritmos quânticos adaptados a dados genômicos para obter novos insights, que são inatingíveis usando algoritmos clássicos.” David Holland, administrador principal de sistemas do Wellcome Sanger Institute, que está trabalhando para criar o ambiente de computação de alto desempenho para simular um computador quântico, disse: “Apenas arranhamos a superfície da computação quântica e da pangenômica. Portanto, unir esses dois mundos é incrivelmente emocionante. Não sabemos exatamente o que está por vir, mas vemos grandes oportunidades para novos avanços importantes. Estamos fazendo coisas hoje que esperamos que tornem o amanhã melhor.” David Yuan, líder de projeto da EMBL-EBI, disse: “Por um lado, estamos começando do zero porque ainda nem sabemos como representar um pangenoma em um ambiente de computação quântica. Se você comparar com os primeiros pousos na Lua, este projeto equivale a projetar um foguete e treinar os astronautas. Por outro lado, temos bases sólidas, baseadas em décadas de dados genômicos sistematicamente anotados, gerados por pesquisadores de todo o mundo e disponibilizados pelo EMBL-EBI. O facto de estarmos a utilizar este conhecimento para desenvolver a próxima geração de ferramentas para as ciências da vida é uma prova da importância dos dados abertos e da ciência colaborativa.” Os benefícios potenciais deste trabalho são enormes. A comparação de um genoma humano específico com o pangenoma humano – em vez do genoma humano de referência existente – fornece melhores insights sobre sua composição única. Isto será importante para impulsionar a medicina personalizada. Abordagens semelhantes para genomas bacterianos e virais apoiarão o rastreamento e a gestão de surtos de patógenos. Este projeto é financiado pelo Programa de Desafio Apoiado Wellcome Leap Quantum for Bio (Q4Bio). https://w3b.com.br/computacao-quantica-encontra-a-genomica-o-surgimento-da-analise-hiper-rapida-de-dna/?feed_id=4751&_unique_id=6632b5fd64b6e