Quando irradiadas com luz infravermelha, certas moléculas, como as ftalocianinas metálicas, vibram e geram pequenos campos magnéticos localizados. Os pesquisadores calcularam esses efeitos e pretendem provar e manipular experimentalmente esses campos para aplicações potenciais na computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com
Os físicos da TU Graz determinaram que certas moléculas podem ser estimuladas por pulsos de luz infravermelha para gerar pequenos campos magnéticos. Se os testes experimentais também forem bem-sucedidos, esta técnica poderá ser potencialmente aplicada em circuitos de computadores quânticos.
Quando as moléculas absorvem luz infravermelha, elas começam a vibrar à medida que recebem energia. Andreas Hauser do Instituto de Física Experimental da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz) usaram esse processo bem compreendido como base para explorar se essas vibrações poderiam ser aproveitadas para produzir campos magnéticos. Como os núcleos atômicos carregam carga positiva, o movimento dessas partículas carregadas resulta na criação de um campo magnético.
Usando o exemplo das ftalocianinas metálicas – moléculas de corante planas em forma de anel – Andreas Hauser e sua equipe calcularam agora que, devido à sua alta simetria, essas moléculas na verdade geram minúsculos campos magnéticos na faixa nanométrica quando pulsos infravermelhos agem sobre elas.
De acordo com os cálculos, deveria ser possível medir a intensidade do campo bastante baixa, mas localizada com muita precisão, usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Os pesquisadores publicaram seus resultados no Jornal da Sociedade Química Americana.
Dança circular das moléculas
Para os cálculos, a equipe baseou-se em trabalhos preliminares dos primórdios da espectroscopia a laser, alguns dos quais com décadas de existência, e usou a moderna teoria da estrutura eletrônica em supercomputadores do Cluster Científico de Viena e da TU Graz para calcular como as moléculas de ftalocianina se comportam quando irradiadas com luz infravermelha circularmente polarizada. O que aconteceu foi que as ondas de luz polarizadas circularmente, isto é, torcidas helicoidalmente, excitam duas vibrações moleculares ao mesmo tempo, formando ângulos retos entre si.
Andreas Hauser do Instituto de Física Experimental da TU Graz. Crédito: Lunghammer – TU Graz
“Como todo casal que dança rumba sabe, a combinação certa de frente-trás e esquerda-direita cria um pequeno ciclo fechado. E este movimento circular de cada núcleo atômico afetado cria, na verdade, um campo magnético, mas apenas muito localmente, com dimensões na faixa de alguns nanômetros”, diz Andreas Hauser.
Moléculas como circuitos em computadores quânticos
Ao manipular seletivamente a luz infravermelha, é ainda possível controlar a força e a direção do campo magnético, explica Andreas Hauser. Isso transformaria as moléculas em interruptores ópticos de alta precisão, que talvez também pudessem ser usados para construir circuitos para um computador quântico.
Representação esquemática de uma molécula metálica de ftalocianina que é colocada em duas vibrações (vermelha e azul), criando um momento dipolar elétrico rotativo (verde) no plano molecular e, portanto, um campo magnético. Crédito: Wilhelmer/Diez/Krondorfer/Hauser – TU Graz
Experimentos como próxima etapa
Juntamente com colegas do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Graz e uma equipe da Universidade de Graz, Andreas Hauser quer agora provar experimentalmente que os campos magnéticos moleculares podem ser gerados de forma controlada.
“Para comprovação, mas também para aplicações futuras, a molécula de ftalocianina precisa ser colocada em uma superfície. No entanto, isto altera as condições físicas, o que por sua vez influencia a excitação induzida pela luz e as características do campo magnético”, explica Andreas Hauser. “Queremos, portanto, encontrar um material de suporte que tenha impacto mínimo no mecanismo desejado.”
Na próxima etapa, o físico e seus colegas querem calcular as interações entre as ftalocianinas depositadas, o material de suporte e a luz infravermelha antes de testar em experimentos as variantes mais promissoras.
Referência: “Pseudorotação molecular em ftalocianinas como ferramenta para controle de campo magnético em nanoescala” por Raphael Wilhelmer, Matthias Diez, Johannes K. Krondorfer e Andreas W. Hauser, 14 de maio de 2024, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.4c01915
O estudo foi financiado pelo Fundo Austríaco para a Ciência.
https://w3b.com.br/fisicos-descobrem-novo-caminho-para-a-computacao-quantica-iluminacao-infravermelha/?feed_id=14614&_unique_id=6731d1823a22e
O Instituto de Ciência Molecular lançou uma Plataforma Preparatória para Comercialização, em colaboração com 10 parceiros da indústria, para acelerar o desenvolvimento de “frios (neutros)
O Instituto de Ciência Molecular (IMS), Instituto Nacional de Ciências Naturais, estabeleceu uma “Plataforma Preparatória para Comercialização (PF)” para acelerar o desenvolvimento de novos computadores quânticos, com base na realização de um grupo de pesquisa liderado pelo Prof. O lançamento do PF foi possível graças à colaboração com 10 parceiros do setor, incluindo empresas e instituições financeiras.
Os 10 parceiros que aderiram ao PF incluem (listados em ordem alfabética): blueqat Inc., Development Bank of Japan Inc., Fujitsu Limited, Groovenauts, Inc., Hamamatsu Photonics KK, Hitachi, Ltd., e NEC Corporation.
Comercialização e Colaboração
Com o FP em vigor, o IMS aproveitará a experiência das empresas participantes e procurará aconselhamento e apoio em questões relacionadas com a comercialização, tais como os processos de criação de uma empresa start-up, desenvolvimento de computadores quânticos produzidos internamente e esforços de I&D para permitir a aplicação prática de computadores quânticos e seus serviços associados. Ela planeja lançar uma empresa start-up até o final do ano fiscal de 2024 e iniciar o desenvolvimento de computadores quânticos de “átomo frio (neutro)”.
Configuração experimental para o computador quântico de átomo frio (átomo neutro) do grupo Kenji Ohmori. Crédito: Takafumi Tomita
Avanços tecnológicos e competição global
Há uma competição acirrada em todo o mundo para o desenvolvimento de computadores quânticos por diversas modalidades. Contudo, subsistem uma série de questões que precisam de ser abordadas para garantir que estes computadores possam ser utilizados de forma prática; essas questões incluem a necessidade de expandir a escala desses computadores e a capacidade de tomar medidas contra erros que possam ocorrer durante a computação. Nos últimos anos, a modalidade “átomo frio (neutro), que utiliza átomos individuais como qubits, tem atraído a atenção da indústria, da academia e de governos em todo o mundo como um novo método revolucionário para superar estes problemas. Outra característica da modalidade de átomo frio (neutro) é que ela opera em temperatura ambiente e não requer refrigeradores, necessários para as modalidades qubit supercondutor e qubit de silício.
O grupo Ohmori no IMS é líder mundial no desenvolvimento de computadores quânticos de átomos frios (neutros). O grupo tem uma série de vantagens tecnológicas e competências essenciais,[1] incluindo “pinças ópticas” e tecnologias de microscópio para controlar um grande número de qubits de alta qualidade em uma superfície plana, e “portões ultrarrápidos de dois qubits” que usam um laser ultrarrápido para criar um emaranhado quântico entre dois qubits em apenas 6,5 nanossegundos. Em particular, as portas de dois qubits representam uma importante tecnologia central que permite a extraordinária velocidade computacional dos computadores quânticos. Em 2022, as portas ultrarrápidas de dois qubit desenvolvidas pelo grupo Ohmori alcançaram uma inovação disruptiva que acelera as portas de dois qubit do método convencional do átomo frio (neutro) em duas ordens de magnitude ao mesmo tempo.
Ao aproveitar estes avanços técnicos e competências essenciais do grupo Ohmori, o IMS acelerará o desenvolvimento e a comercialização de computadores quânticos em colaboração com os seus parceiros industriais.
Equipe de desenvolvimento de computadores quânticos do grupo Kenji Ohmori. Crédito: grupo Kenji Ohmori
Primeira demonstração mundial de supremacia quântica usando computadores quânticos supercondutores em 2019[2]
Mensagem do Professor John Martinis, Universidade da Califórnia, Santa Bárbara:
“O professor Kenji Ohmori e sua equipe fizeram recentemente um grande avanço para superar a fraqueza do método do átomo neutro usando lasers ultrarrápidos para acelerar drasticamente sua porta de dois qubits em duas ordens de magnitude. Suas pinças ópticas e tecnologia de microscópio para manipular qubits atômicos individuais também são excelentes. A equipe é, portanto, um candidato extremamente promissor para a realização de um computador quântico prático num futuro próximo. Gostaria de participar ativamente e contribuir para a aplicação prática e comercialização de seu computador quântico, fazendo uso da minha experiência.”
Mensagem de Yuki Takemori, Gerente Geral, Escritório de Promoção de Inovação, Departamento de Planejamento e Coordenação de Negócios, Development Bank of Japan Inc. Gerente Geral de Projetos da PF:
“Após o rebentamento da bolha econômica, a economia japonesa passou os '30 anos perdidos' sem qualquer pista do seu crescimento futuro. Eu espero a computação quântica será uma tecnologia que trará uma evolução revolucionária para a humanidade, semelhante à Internet e inteligência artificial (IA) é um ramo da ciência da computação focado na criação de sistemas que podem executar tarefas que normalmente requerem inteligência humana. Essas tarefas incluem compreender a linguagem natural, reconhecer padrões, resolver problemas e aprender com a experiência. As tecnologias de IA usam algoritmos e grandes quantidades de dados para treinar modelos que podem tomar decisões, automatizar processos e melhorar ao longo do tempo por meio do aprendizado de máquina. As aplicações da IA são diversas, impactando campos como saúde, finanças, automotivo e entretenimento, mudando fundamentalmente a forma como interagimos com a tecnologia. Crescerá e se tornará uma indústria extremamente importante para o Japão, atuando como um catalisador para o seu desenvolvimento e avanço. As capacidades tecnológicas do professor Kenji Ohmori e da sua equipa são um tesouro global e um trunfo para o renascimento da economia japonesa. Espero que este projeto se espalhe por toda parte.”
Mensagem do Professor Kenji Ohmori, Instituto de Ciência Molecular:
“Gostaria de expressar minha sincera gratidão pelo apoio de empresas tão ilustres ao desenvolvimento de nosso computador quântico de átomo frio (átomo neutro). Embora tenhamos absoluta confiança na nossa tecnologia básica, o desenvolvimento de computadores quânticos práticos requer a integração de uma variedade de “tecnologias facilitadoras”, incluindo electrónica convencional, software, engenharia de sistemas e arquitectura. Com o lançamento desta plataforma de comercialização, fortaleceremos ainda mais os nossos esforços de desenvolvimento e trabalharemos arduamente para criar um computador quântico que possa contribuir para a nossa sociedade o mais rapidamente possível.”
Notas:
Competência central: uma capacidade definidora que distingue uma empresa de seus concorrentes
Supremacia quântica: uma demonstração da vantagem de um computador quântico sobre os computadores clássicos, incluindo supercomputadores, para processar cálculos que convencionalmente levariam muito tempo para serem processados em velocidades incomparáveis
Financiamento de Pesquisa:
Gabinete de Gabinete / Programa de P&D JST Moonshot (JPMJMS2269)
Programa emblemático MEXT Quantum Leap (JPMXS0120181201)
Pesquisadores da QuTech criaram partículas Majorana em um plano bidimensional, desenvolvendo dispositivos que utilizam supercondutores e semicondutores, permitindo experimentos anteriormente inacessíveis. Este avanço pode levar a qubits Majorana estáveis e topologicamente protegidos, beneficiando significativamente a computação quântica.
Pesquisadores inovaram um método 2D para produção de partículas Majorana, com o objetivo de melhorar a computação quântica com qubits estáveis e eficientes.
Pesquisadores da QuTech descobriram um método para criar partículas de Majorana dentro de um plano bidimensional. Eles conseguiram isso projetando dispositivos que utilizam as propriedades sinérgicas dos supercondutores 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. A versatilidade desta nova plataforma 2D permite experimentos anteriormente inatingíveis envolvendo Majoranas. As descobertas são detalhadas na revista Natureza.
Os computadores quânticos operam de maneira fundamentalmente diferente dos computadores clássicos. Enquanto os computadores clássicos usam bits como unidade básica de informação, que pode ser 0 ou 1, os computadores quânticos usam qubits, que podem existir no estado 0, 1 ou ambos simultaneamente. Este princípio de superposição, combinado com novos algoritmos quânticos, poderia permitir que os computadores quânticos resolvessem certos problemas com muito mais eficiência do que os computadores clássicos. No entanto, os qubits que armazenam esta informação quântica são inerentemente mais frágeis que os bits clássicos.
Qubits inerentemente estáveis
Os qubits de Majorana são baseados em estados da matéria que são protegidos topologicamente. Isto significa que pequenas perturbações locais não podem destruir o estado do qubit. Esta robustez às influências externas torna os qubits de Majorana altamente desejáveis para
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 quânticauma vez que a informação quântica codificada nesses estados permaneceria estável por tempos significativamente mais longos.
Partículas de Majorana em duas dimensões
A produção de um qubit Majorana completo requer várias etapas. A primeira delas é a capacidade de projetar Majoranas de maneira confiável e de demonstrar que elas realmente possuem as propriedades especiais que as tornam candidatas promissoras a qubits. Anteriormente, pesquisadores da QuTech – uma colaboração entre a TU Delft e a TNO – usaram um nanofio unidimensional para demonstrar uma nova abordagem para o estudo de Majoranas, criando uma cadeia Kitaev. Nesta abordagem, uma cadeia de pontos quânticos semicondutores é conectada por meio de supercondutores para produzir Majoranas.
A extensão deste resultado a duas dimensões tem várias implicações importantes. O primeiro autor, Bas ten Haaf, explica: “Ao implementar a cadeia Kitaev em duas dimensões, mostramos que a física subjacente é universal e independente de plataforma.” Seu colega e coautor Qingzheng Wang acrescenta: “Dados os desafios de longa data com a reprodutibilidade na pesquisa de Majorana, nossos resultados são realmente encorajadores”.
Rota em direção aos qubits de Majorana
A capacidade de criar cadeias de Kitaev em sistemas bidimensionais abre vários caminhos para futuras pesquisas de Majorana. O investigador principal Srijit Goswami explica: “Acredito que estamos agora numa posição em que podemos fazer física interessante com Majoranas, a fim de sondar as suas propriedades fundamentais. Por exemplo, podemos aumentar o número de sítios na cadeia Kitaev e estudar sistematicamente a proteção das partículas de Majorana. A longo prazo, a flexibilidade e escalabilidade da plataforma 2D deverá permitir-nos pensar em estratégias concretas para criar redes de Majoranas e integrá-las com elementos auxiliares necessários para o controlo e leitura de um qubit de Majorana.”
Referência: “Uma cadeia Kitaev de dois locais em um gás de elétrons bidimensional” por Sebastiaan LD ten Haaf, Qingzhen Wang, A. Mert Bozkurt, Chun-Xiao Liu, Ivan Kulesh, Philip Kim, Di Xiao, Candice Thomas, Michael J. Manfra, Tom Dvir, Michael Wimmer e Srijit Goswami, 12 de junho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07434-9
Pesquisadores liderados pela professora Giulia Gall da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker, juntamente com colaboradores na Suécia, usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como defeitos no óxido de cálcio simples podem produzir qubits com um punhado de propriedades promissoras. Crédito: Escola de Engenharia Molecular UChicago Pritzker / Peter Allen, editado
Os pesquisadores descobriram que os átomos de bismuto incorporados no óxido de cálcio podem funcionar como qubits para computadores quânticos, fornecendo uma alternativa de baixo ruído, durável e barata aos materiais atuais. Este estudo inovador destaca seu potencial para transformar
Computação quântica
Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.
O óxido de cálcio é um composto químico barato e calcário, frequentemente usado na fabricação de cimento, gesso, papel e aço. No entanto, o material comum poderá em breve ter uma aplicação mais de alta tecnologia.
Os cientistas usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como átomos minúsculos e solitários de bismuto incorporados no óxido de cálcio sólido podem atuar como qubits – os blocos de construção de computadores quânticos e dispositivos de comunicação quântica. Esses qubits foram descritos por
Universidade de Chicago
Fundada em 1890, a Universidade de Chicago (UChicago, U of C ou Chicago) é uma universidade privada de pesquisa em Chicago, Illinois. Localizada em um campus de 217 acres no bairro de Hyde Park, em Chicago, perto do Lago Michigan, a escola ocupa as dez primeiras posições em vários rankings nacionais e internacionais. UChicago também é conhecida por suas escolas profissionais: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School e Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, e Escola Pritzker de Engenharia Molecular.
Universidade de Chicago Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular e seu colaborador na Suécia em 6 de junho na revista científica Nature Communications.
“Este sistema tem propriedades ainda melhores do que esperávamos”, disse Giulia Galli, professora da família Liew na Pritzker Molecular Engineering and Chemistry e autora sênior do novo trabalho. “Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.”
O óxido de cálcio, também conhecido como cal virgem, é um composto químico branco, cáustico e alcalino derivado de calcário e outros materiais ricos em cálcio. É utilizado principalmente na produção de cimento e argamassa, bem como na siderurgia, no tratamento de água e na fabricação de vidro, cerâmica e papel. Quando misturado com água, reage exotérmicamente para formar hidróxido de cálcio, comumente conhecido como cal apagada.
Avanços no desenvolvimento Qubit
Um bit quântico, ou qubit, é a unidade básica de informação que codifica dados na computação quântica. Hoje, os pesquisadores desenvolveram muitos tipos diferentes de qubits, que geralmente são compostos de pequenos defeitos pontuais em materiais semicondutores. Algumas das propriedades desses defeitos podem ser usadas para armazenar informações. No entanto, muitos qubits existentes são incrivelmente frágeis; O “ruído” eletrônico ou magnético em seu entorno pode alterar suas propriedades, apagando qualquer informação que tenha sido codificada dentro deles.
Em 2022, uma colaboração entre cientistas do Japão e os grupos de David Awschalom e Galli simulou as propriedades de mais de 12.000 materiais para descobrir novos sólidos potenciais que poderiam conter defeitos promissores agindo como qubits. Aquele trabalho revelou o óxido de cálcio como um dos vários materiais com potencial para conter qubits que codificam informações com níveis de ruído muito baixos por um período de tempo especialmente longo.
Descobrindo novos materiais quânticos
“Nosso trabalho anterior nos disse que se você encontrar os defeitos certos para colocar em sua estrutura, o óxido de cálcio seria um meio perfeito para armazenar informações quânticas”, disse Nikita Onizhuk, pós-doutoranda no grupo Galli e uma das autoras do estudo. papel. “Portanto, nosso novo objetivo era encontrar o defeito ideal.”
No novo artigo, Galli e seus colegas usaram uma série de métodos computacionais que foram estabelecidos nos últimos anos para rastrear mais de 9.000 defeitos diferentes no óxido de cálcio quanto ao seu potencial como qubits. Os resultados apontaram para um tipo de defeito – no qual um antimônio, bismuto ou iodo
átomo
Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.
O atom está incorporado na estrutura usual de cálcio e oxigênio que constitui o óxido de cálcio.
“Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.”
- Profª Giulia Galli
“Nunca poderíamos ter imaginado que estes defeitos exatos seriam tão promissores”, disse Joel Davidsson, da Universidade de Linköping, o primeiro autor do artigo e principal desenvolvedor da abordagem de alto rendimento usada para descobrir novos defeitos de spin. “A única maneira de fazer isso era com procedimentos de triagem completos e imparciais.”
A equipe de Galli mostrou então, por meio de suas abordagens de modelagem, que o defeito de bismuto no óxido de cálcio pode, teoricamente, codificar dados com pouco ruído e por períodos de tempo relativamente longos (vários segundos em comparação com os milissegundos de coerência mostrados por muitos qubits). Ele também tem potencial para combinar bem com dispositivos de telecomunicações devido ao índice de refração do material e à sua capacidade de emitir fótons de luz.
Galli e colaboradores estão agora a trabalhar com grupos experimentais que podem construir materiais à base de óxido de cálcio e testar se as previsões são verdadeiras.
“Estamos nos estágios iniciais, mas do ponto de vista da ciência fundamental, achamos que este material é muito promissor”, disse Galli.
Referência: “Descoberta de defeitos de spin semelhantes a relógios atômicos em óxidos simples a partir dos primeiros princípios” por Joel Davidsson, Mykyta Onizhuk, Christian Vorwerk e Giulia Galli, 6 de junho de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49057-8Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Centro Sueco de Pesquisa em Ciência Eletrônica (SeRC), pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pelo Conselho Sueco de Pesquisa, uma bolsa de doutorado do Google e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley desenvolveram um método usando um laser de femtosegundo e dopagem de hidrogênio para criar e controlar qubits em silício, revolucionando potencialmente a computação quântica ao permitir o posicionamento preciso de qubits e a conectividade para redes quânticas escaláveis e a Internet quântica. Crédito: SciTechDaily.com
A nova técnica do Berkeley Lab usa lasers de femtosegundo e hidrogênio para criar com precisão qubits em silício, avançando nas perspectivas de escalabilidade
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 e redes.
Pesquisadores do Berkeley Lab relataram um grande avanço que poderia nos aproximar de um computador quântico escalável.
Usando um laser de femtosegundo durante experimentos que exploram o papel do hidrogênio na formação de qubits, os pesquisadores desenvolveram um método que programa a formação de qubits ópticos de banda de telecomunicações em silício para fabricação em larga escala.
A técnica poderia permitir computadores quânticos escaláveis do futuro, com base na atual infraestrutura de computação baseada em silício.
Kaushalya Jhuria no laboratório testando os componentes eletrônicos que fazem parte da configuração experimental usada para fazer qubits em silício. Crédito: Thor Swift/Berkeley Lab
Potencial e desafios da computação quântica
Os computadores quânticos têm o potencial de resolver problemas complexos de saúde humana, descoberta de medicamentos e
inteligência artificial
Inteligência Artificial (IA) é um ramo da ciência da computação focado na criação de sistemas que podem executar tarefas que normalmente requerem inteligência humana. Essas tarefas incluem compreender a linguagem natural, reconhecer padrões, resolver problemas e aprender com a experiência. As tecnologias de IA usam algoritmos e grandes quantidades de dados para treinar modelos que podem tomar decisões, automatizar processos e melhorar ao longo do tempo por meio do aprendizado de máquina. As aplicações da IA são diversas, impactando campos como saúde, finanças, automotivo e entretenimento, mudando fundamentalmente a forma como interagimos com a tecnologia.
" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">inteligência artificial milhões de vezes mais rápido do que alguns dos supercomputadores mais rápidos do mundo. Uma rede de computadores quânticos poderia avançar essas descobertas ainda mais rapidamente. Mas antes que isso aconteça, a indústria da informática precisará de uma forma confiável de encadear bilhões de qubits – ou bits quânticos – com precisão atômica.
Conectar qubits, no entanto, tem sido um desafio para a comunidade de pesquisa. Alguns métodos formam qubits colocando uma pastilha de silício inteira em um forno de recozimento rápido em temperaturas muito altas. Com esses métodos, qubits se formam aleatoriamente a partir de defeitos (também conhecidos como centros de cores ou emissores quânticos) na rede cristalina do silício. E sem saber exatamente onde os qubits estão localizados em um material, será difícil realizar um computador quântico de qubits conectados.
Avanços na criação e controle de Qubit
Mas agora, em breve será possível conectar qubits. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) diz que eles são os primeiros a usar um laser de femtosegundo para criar e “aniquilar” qubits sob demanda, e com precisão, dopando silício com hidrogênio.
O avanço poderia permitir computadores quânticos que usam qubits ópticos programáveis ou “spin-
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 qubits” para conectar nós quânticos em uma rede remota. Também poderia promover uma Internet quântica que não só fosse mais segura, mas também pudesse transmitir mais dados do que as atuais tecnologias de informação de fibra óptica.
“Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e no controle de qualidade.”
– Thomas Schenkel, cientista sênior, Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada
Visão para uma arquitetura quântica escalável
“Para criar uma arquitetura ou rede quântica escalável, precisamos de qubits que possam se formar de forma confiável sob demanda, em locais desejados, para que possamos saber onde o qubit está localizado em um material. E é por isso que nossa abordagem é crítica”, disse Kaushalya Jhuria, pós-doutorado na Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab. Ela é a primeira autora de um novo estudo que descreve a técnica na revista Nature Communications. “Porque, uma vez que sabemos onde um qubit específico está localizado, podemos determinar como conectar esse qubit a outros componentes do sistema e criar uma rede quântica.”
“Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e controle de qualidade”, disse o investigador principal Thomas Schenkel, chefe do Programa de Ciência de Fusão e Tecnologia de Feixe de Íons na Divisão ATAP do Berkeley Lab. Seu grupo hospedará o primeiro grupo de estudantes da Universidade do Havaí em junho, como parte de um projeto RENEW financiado pela DOE Fusion Energy Sciences sobre desenvolvimento de força de trabalho, onde os alunos estarão imersos na ciência e tecnologia do centro de cores/qubit.
Formando Qubits em Silício com Controle Programável
O novo método usa um ambiente gasoso para formar defeitos programáveis chamados “centros de cores” no silício. Esses centros de cores são candidatos a qubits especiais de telecomunicações ou “qubits de fótons giratórios”. O método também usa um laser de femtosegundo ultrarrápido para recozer o silício com precisão exata onde esses qubits devem se formar com precisão. Um laser de femtosegundo fornece pulsos muito curtos de energia dentro de um quatrilionésimo de segundo para um alvo focado do tamanho de uma partícula de poeira.
Qubits de fótons giratórios emitem fótons que podem transportar informações codificadas no spin do elétron por longas distâncias – propriedades ideais para apoiar uma rede quântica segura. Qubits são os menores componentes de um sistema de informação quântica que codifica dados em três estados diferentes: 1, 0 ou uma superposição que é tudo entre 1 e 0.
Com a ajuda de Boubacar Kanté, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de engenharia elétrica e ciências da computação (EECS) na UC Berkeley, a equipe usou um detector infravermelho próximo para caracterizar os centros de cores resultantes, sondando sua óptica (fotoluminescência ) sinais.
O que eles descobriram os surpreendeu: um emissor quântico chamado centro Ci. Devido à sua estrutura simples, estabilidade à temperatura ambiente e propriedades de spin promissoras, o centro Ci é um interessante candidato a qubit de fóton de spin que emite fótons na banda de telecomunicações. “Sabíamos pela literatura que Ci pode ser formado em silício, mas não esperávamos realmente fazer esse novo candidato a qubit de fóton de spin com nossa abordagem”, disse Jhuria.
Uma representação artística de um novo método para criar centros de cores (qubits) de alta qualidade em silício em locais específicos usando pulsos de laser ultrarrápidos (femtosegundo ou um quatrilionésimo de segundo). A inserção no canto superior direito mostra um sinal óptico observado experimentalmente (fotoluminescência) dos qubits, com suas estruturas exibidas na parte inferior. Crédito: Kaushalya Jhuria/Berkeley Lab
Direções Potenciais e Futuras
Os pesquisadores aprenderam que o processamento de silício com baixa intensidade de laser de femtosegundo na presença de hidrogênio ajudou a criar os centros de cores Ci. Outras experiências mostraram que aumentar a intensidade do laser pode aumentar a mobilidade do hidrogênio, que passiva os centros de cores indesejáveis sem danificar a rede de silício, explicou Schenkel.
Uma análise teórica realizada por Liang Tan, cientista da equipe da Molecular Foundry do Berkeley Lab, mostra que o brilho do centro de cor Ci é aumentado em várias ordens de grandeza na presença de hidrogênio, confirmando suas observações em experimentos de laboratório.
“Os pulsos de laser de femtosegundo podem expulsar átomos de hidrogênio ou trazê-los de volta, permitindo a formação programável de qubits ópticos desejados em locais precisos”, disse Jhuria.
A equipe planeja usar a técnica para integrar qubits ópticos em dispositivos quânticos, como cavidades reflexivas e guias de onda, e para descobrir novos candidatos a qubits de fótons de spin com propriedades otimizadas para aplicações selecionadas.
“Agora que podemos criar centros de cores de maneira confiável, queremos fazer com que diferentes qubits se comuniquem entre si – o que é uma personificação do emaranhamento quântico – e ver quais deles têm o melhor desempenho. Este é apenas o começo”, disse Jhuria.
“A capacidade de formar qubits em locais programáveis em um material como o silício que está disponível em escala é um passo emocionante em direção a redes e computação quânticas práticas”, disse Cameron Geddes, Diretor da Divisão ATAP.
Referência: “Formação de emissor quântico programável em silício” por K. Jhuria, V. Ivanov, D. Polley, Y. Zhiyenbayev, W. Liu, A. Persaud, W. Redjem, W. Qarony, P. Parajuli, Q. Ji , AJ Gonsalves, J. Bokor, LZ Tan, B. Kanté e T. Schenkel, 27 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48714-2
Um novo estudo sobre fótons na computação quântica fez uma descoberta surpreendente: quando os fótons colidem, eles criam vórtices.
Pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência descobriram um novo tipo de vórtice formado por
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 interações, o que poderia avançar
Computação quântica
Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.
Os vórtices são um fenômeno natural generalizado, observável nas formações rodopiantes de galáxias, tornados e furacões, bem como em ambientes mais simples, como uma xícara de chá agitada ou a água escorrendo pelo ralo de uma banheira. Normalmente, os vórtices surgem quando uma substância em movimento rápido, como o ar ou a água, encontra uma área de movimento mais lento, criando um movimento circular em torno de um eixo fixo. Essencialmente, os vórtices servem para reconciliar as diferenças nas velocidades de fluxo entre regiões adjacentes.
Um anel de vórtice e linhas criadas pela influência de três fótons um sobre o outro. A cor descreve a fase do campo elétrico, que completa uma rotação de 360 graus em torno do núcleo do vórtice. Crédito: Instituto Weizmann de Ciência
Descoberta de um novo tipo de vórtice
Um tipo de vórtice até então desconhecido foi agora descoberto em um estudo publicado em CiênciaBankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar e Dr. Gal Winer do laboratório do Prof. Ofer Firstenberg no Departamento de Física de Sistemas Complexos do Weizmann Institute of Science. Os pesquisadores começaram a procurar uma maneira eficiente de usar fótons para processar dados em computadores quânticos e descobriram algo inesperado: perceberam que, no raro evento em que dois fótons interagem, eles criam vórtices. Esta descoberta não só contribui para a compreensão fundamental dos vórtices, como também pode, em última análise, contribuir para o objetivo original do estudo de melhorar o processamento de dados na computação quântica.
Interações de fótons e computação quântica
A interação entre fótons – partículas de luz que também se comportam como ondas – só é possível na presença de matéria que serve de intermediária. Em seu experimento, os pesquisadores forçaram os fótons a interagir criando um ambiente único: uma célula de vidro de 10 centímetros que estava completamente vazia, exceto pelos átomos de rubídio que estavam tão compactados no centro do recipiente que formaram um gás pequeno e denso. nuvem com cerca de 1 milímetro de comprimento. Os investigadores dispararam cada vez mais fotões através desta nuvem, examinaram o seu estado depois de terem passado por ela e verificaram se tinham influenciado uns aos outros de alguma forma.
Quando a nuvem de gás estava mais densa e os fótons estavam próximos uns dos outros, eles exerciam o mais alto nível de influência mútua.
Interações Dinâmicas em Nuvens Densas de Gás
“Quando os fótons passam através da densa nuvem de gás, eles enviam vários átomos para estados eletronicamente excitados, conhecidos como estados de Rydberg”, explica Firstenberg. “Nesses estados, um dos elétrons do
átomo
Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.
" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">atom começa a se mover em uma órbita 1.000 vezes maior que o diâmetro de um átomo não excitado. Este elétron cria um campo elétrico que influencia um grande número de átomos adjacentes, transformando-os em uma espécie de ‘bola de vidro’ imaginária.”
A imagem de uma bola de vidro reflecte o facto de o segundo fotão presente na área não poder ignorar o ambiente que o primeiro fotão criou e, em resposta, altera a sua velocidade – como se tivesse passado através de um vidro. Assim, quando dois fótons passam relativamente próximos um do outro, eles se movem a uma velocidade diferente da que teriam se estivessem viajando sozinhos. E quando a velocidade do fóton muda, também muda a posição dos picos e vales da onda que ele carrega. No caso ideal para a utilização de fotões na computação quântica, as posições dos picos e vales tornam-se completamente invertidas umas em relação às outras, devido à influência que os fotões têm uns sobre os outros – um fenómeno conhecido como mudança de fase de 180 graus.
Do canto inferior esquerdo, no sentido horário: Dr. Lee Drori, Tomer Danino Zohar, Dr. Crédito: Instituto Weizmann de Ciência
Pesquisa pioneira em dinâmica de fótons
A direção que a pesquisa tomou foi tão única e extraordinária quanto os caminhos dos fótons na nuvem de gás. O estudo, que também incluiu o Dr. Eilon Poem e o Dr. Alexander Poddubny, começou há oito anos e viu duas gerações de estudantes de doutorado passarem pelo laboratório de Firstenberg.
Com o tempo, os cientistas de Weizmann conseguiram criar uma nuvem de gás densa e ultrafria, repleta de átomos. Como resultado, alcançaram algo sem precedentes: fotões que sofreram uma mudança de fase de 180 graus – e por vezes mais. Quando a nuvem de gás estava mais densa e os fótons estavam próximos uns dos outros, eles exerciam o mais alto nível de influência mútua. Mas quando os fótons se afastaram uns dos outros ou a densidade atômica ao seu redor caiu, a mudança de fase enfraqueceu e desapareceu.
O comportamento surpreendente dos vórtices de fótons
A suposição predominante era que esse enfraquecimento seria um processo gradual, mas os pesquisadores tiveram uma surpresa: um par de vórtices se desenvolveu quando dois fótons estavam separados por uma certa distância. Em cada um destes vórtices, os fotões completaram uma mudança de fase de 360 graus e, no seu centro, quase não havia fotões – tal como no centro escuro que conhecemos de outros vórtices.
Os cientistas descobriram que a presença de um único fóton afetou 50 mil átomos, o que por sua vez influenciou o movimento de um segundo fóton.
Insights sobre a dinâmica do vórtice de fótons
Para entender os vórtices de fótons, pense no que acontece quando você arrasta uma placa verticalmente pela água. O movimento rápido da água empurrado pela placa encontra o movimento mais lento ao seu redor. Isso cria dois vórtices que, quando vistos de cima, parecem se mover juntos ao longo da superfície da água, mas na verdade fazem parte de uma configuração tridimensional conhecida como anel de vórtice: a parte submersa da placa cria meio anel , que conecta os dois vórtices visíveis na superfície, forçando-os a se moverem juntos.
Outro exemplo familiar de anéis de vórtice são os anéis de fumaça. Nas últimas etapas do estudo, os pesquisadores observaram esse fenômeno quando introduziram um terceiro fóton, o que acrescentou uma dimensão extra às descobertas: os cientistas descobriram que os dois vórtices observados ao medir dois fótons fazem parte de um anel de vórtice tridimensional gerado pela influência mútua dos três fótons. Estas descobertas demonstram quão semelhantes são os vórtices recém-descobertos com os conhecidos em outros ambientes.
Avanços em direção ao processamento de dados quânticos
Os vórtices podem ter roubado a cena neste estudo, mas os pesquisadores continuam a trabalhar em direção ao seu objetivo de processamento quântico de dados. A próxima etapa do estudo será disparar os fótons uns contra os outros e medir a mudança de fase de cada fóton separadamente. Dependendo da força das mudanças de fase, os fótons poderiam ser usados como qubits – as unidades básicas de informação na computação quântica. Ao contrário das unidades de memória normal do computador, que podem ser 0 ou 1, os bits quânticos podem representar uma faixa de valores entre 0 e 1 simultaneamente.
Referência: “Vórtices quânticos de fótons fortemente interagindo” por Lee Drori, Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar, Gal Winer, Eilon Poem, Alexander Poddubny e Ofer Firstenberg, 13 de julho de 2023, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adh5315
A pesquisa do Prof. Ofer Firstenberg é apoiada pelo Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust, pela Shimon and Golde Picker – Weizmann Annual Grant e pelo Laboratory in Memory of Leon e Blacky Broder, Suíça.
A geração confiável de números aleatórios tornou-se um componente central da tecnologia de informação e comunicação. Na verdade, geradores de números aleatórios, algoritmos ou dispositivos que podem produzir sequências aleatórias de números estão agora ajudando a proteger as comunicações entre diferentes dispositivos, a produzir amostras estatísticas e para várias outras aplicações.
Pesquisadores da Toshiba Europe Ltd. desenvolveram recentemente um novo gerador quântico de números aleatórios (QRNG) baseado em um circuito integrado fotônico que pode ser integrado diretamente em dispositivos eletrônicos. Este QRNG, introduzido em um artigo publicado em Eletrônica da Naturezapode gerar de forma segura e robusta Números aleatórios a uma velocidade notável de 2 Gbit s-1.
“A aleatoriedade é agora uma mercadoria valiosa, pois impulsiona quase todos os protocolos digitais que permitem a comunicação privada”, disse Raymond Smith, cientista pesquisador sênior e coautor do artigo, ao Tech Xplore.
"O uso comum de geradores de números pseudo-aleatórios (PRNGs) representa uma ameaça potencial à segurança porque os PRNGs são algoritmos meramente determinísticos e não fornecem aleatoriedade verdadeira. Isto é particularmente crítico para sistemas de comunicação seguros."
Estudos recentes destacaram o potencial de geração de números verdadeiramente imprevisíveis usando QRNGs, geradores de números aleatórios que potencializam processos naturais de origem quântica. Smith e seus colegas da Toshiba têm experimentado essas técnicas.
"Esforços de pesquisa anteriores e ideias que inspiraram este trabalho incluem a busca pela simplificação do hardware dos QRNGs", disse Smith.
"Normalmente, os QRNGs empregam componentes fotônicos, como lasers e detectores, que são volumosos e requerem manuseio especial quando montados com componentes eletrônicos. Essa complexidade torna os QRNGs mais difíceis de implantar em grande escala e mais caros. No entanto, uma tecnologia chamada 'fotônica integrada' está ajudando a superar esses desafios."
Os circuitos fotônicos integrados permitem aos pesquisadores condensar todos os componentes ópticos centrais em um único chip com apenas alguns milímetros de tamanho. Smith e seus colegas tentaram usar tecnologias fotônicas integradas para criar um circuito integrado fotônico (PIC) que pudesse simplificar a complexidade de seu método QRNG, facilitando sua futura implantação em larga escala.
"Nos últimos anos, a Toshiba fez vários avanços na tecnologia PIC, incluindo o desenvolvimento o primeiro sistema de distribuição quântica de chaves (QKD) baseado em chip do mundo", disse Smith.
"Este sistema QKD incorporou um QRNG PIC em um pacote borboleta de 14 pinos cuja saída óptica precisava ser acoplada por fibra a um fotodiodo de alta velocidade na placa eletrônica QRNG."
Crédito: Marangon et al.
O objetivo principal do estudo recente da equipe da Toshiba foi desenvolver um QRNG completo baseado em um PIC com apenas entradas e saídas eletrônicas. Além disso, os investigadores planearam implantar o QRNG em dispositivos reais para validar a sua eficácia.
“Normalmente, os PICs são testados sob condições controladas, utilizando equipamento de laboratório especializado”, explicou Smith. “Essa abordagem torna difícil avaliar o desempenho desta tecnologia, uma vez implantada em sistemas reais, sob condições operacionais reais”.
Smith e seus colegas projetaram uma placa de circuito impresso compacta que incorpora o PIC que desenvolveram, chamado núcleo de entropia óptica (OEC). OEC possui embalagem padrão que lembra outros chips eletrônicos e mede 6 x 6 mm2. A placa de circuito na qual está embutida inclui módulos eletrônicos que acionam o PIC, bem como módulos que leem os sinais aleatórios gerados.
“Então, como é produzido o sinal aleatório?” Smith disse. “O PIC é composto por dois lasers que emitem pulsos ópticos com fases aleatórias devido ao ruído quântico. Esses pulsos interferem entre si, gerando um pulso com intensidade óptica aleatória, que é então convertido em um sinal de corrente aleatório por um detector rápido. é processado pela placa e convertido em bits aleatórios que podem ser distribuídos a uma taxa muito rápida (Gb/s)."
A principal vantagem do novo QRNG integrado baseado em fotônica é que seu PIC subjacente é econômico e pode ser montado em placas eletrônicas usando métodos convencionais de montagem em série. Isto poderia facilitar a sua futura implantação em grande escala em vários dispositivos eletrônicostornando-o uma alternativa competitiva e de melhor desempenho aos PRNGs.
“Construímos oito placas para estudar a variabilidade de desempenho em diferentes dispositivos”, disse Smith. “Além disso, para garantir a segurança de sua produção final, o QRNG realiza testes de integridade na produção do OEC para verificar se ele opera continuamente conforme esperado, ajustando automaticamente os parâmetros de condução do OEC se necessário, bem como calculando a taxa de geração segura que pode alcançar em tempo real. Se essa taxa cair, o QRNG pode ajustar automaticamente o pós-processamento para garantir que o resultado final permaneça imprevisível."
Embora os PICs sejam geralmente testados isoladamente usando equipamentos especializados, o PIC desenvolvido na Toshiba pode ser perfeitamente integrado à eletrônica e testado em ambientes reais. Os testes iniciais foram altamente promissores, demonstrando que o OEC pode operar de forma tão confiável quanto outros componentes eletrônicos padrão.
“Incorporamos uma placa QRNG em um sistema QKD e a operamos continuamente por 38 dias, produzindo um sinal aleatório estável apesar das flutuações significativas de temperatura”, disse Smith. “Este teste demonstra a prontidão do nosso QRNG para implantação em sistemas reais, sob condições operacionais reais. Outro ponto notável é que obtivemos desempenhos muito semelhantes de todas as oito placas, o que é fundamental para estabelecer uma linha de base de desempenho.”
O recente estudo desta equipe de pesquisadores representa um avanço importante no desenvolvimento de QRNGs integrados baseados em fotônica e pode contribuir para sua futura implantação em massa. Até agora, Smith e seus colegas conseguiram atingir uma taxa de geração aleatória de bits de até 8 Gbit/s, mas em breve esperam aumentar ainda mais essa taxa.
“Isso tornará esses QRNGs atraentes para simulações e computação de alto desempenho”, acrescentou Smith. “Também planejamos continuar a aumentar a robustez dos nossos QRNGs para garantir que eles possam operar de forma confiável em casos de uso do mundo real”.
Mais Informações: Davide G. Marangon et al, Um gerador quântico de números aleatórios rápido e robusto com um núcleo de aleatoriedade fotônica integrado e independente, Eletrônica da Natureza (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01140-0.
Citação: Novo gerador quântico de números aleatórios atinge velocidade de 2 Gbit/s (2024, 11 de junho) recuperado em 11 de junho de 2024 em https://techxplore.com/news/2024-06-quantum-random-generator-gbits.html
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Cientistas da UC Irvine introduziram um método inovador para produzir cristais de bismuto com espessura nanométrica, melhorando a fabricação eletrônica flexível e descobrindo novas propriedades eletrônicas críticas para tecnologias quânticas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores da UC Irvine desenvolveram um material de bismuto ultrafino projetado para uso em tecnologias flexíveis.
Em um estudo publicado em Materiais da Naturezacientistas do Universidade da Califórnia, Irvine descrevem um novo método para fazer cristais muito finos do elemento bismuto – um processo que pode ajudar a tornar a fabricação de eletrônicos flexíveis e baratos uma realidade cotidiana.
“O bismuto fascina os cientistas há mais de cem anos devido ao seu baixo ponto de fusão e propriedades eletrônicas únicas”, disse Javier Sanchez-Yamagishi, professor assistente de física e astronomia na UC Irvine e coautor do estudo. “Desenvolvemos um novo método para fazer cristais muito finos de materiais como o bismuto e, no processo, revelar comportamentos eletrônicos ocultos das superfícies do metal.”
As folhas de bismuto que a equipe fez têm apenas alguns nanômetros de espessura. Sanchez-Yamagishi explicou como os teóricos previram que o bismuto contém estados eletrônicos especiais que permitem que ele se torne magnético quando a eletricidade flui através dele – algo essencial para dispositivos eletrônicos quânticos baseados no spin magnético dos elétrons.
Um dos comportamentos ocultos observados pela equipe são as chamadas oscilações quânticas originadas nas superfícies dos cristais. “As oscilações quânticas surgem do movimento de um elétron em um campo magnético”, disse Laisi Chen, Ph.D. candidato em física e astronomia na UC Irvine e um dos principais autores do artigo. “Se o elétron puder completar uma órbita completa em torno de um campo magnético, ele poderá exibir efeitos que são importantes para o desempenho da eletrônica. As oscilações quânticas foram descobertas pela primeira vez no bismuto na década de 1930, mas nunca foram vistas em cristais de bismuto com espessura nanométrica.”
Espremer o bismuto entre placas de moldagem atomicamente lisas feitas de um material chamado nitreto de boro hexagonal resulta em cristais extremamente finos e planos com propriedades eletrônicas quânticas únicas. Crédito: Eli Krantz / Krantz NanoArt
Técnicas de fabricação inovadoras
Amy Wu, Ph.D. candidato em física no laboratório de Sanchez-Yamagishi, comparou o novo método da equipe a uma prensa de tortilha. Para fazer as folhas ultrafinas de bismuto, explicou Wu, eles tiveram que espremer o bismuto entre duas placas quentes. Para tornar as folhas tão planas como são, eles tiveram que usar placas de moldagem perfeitamente lisas em nível atômico, o que significa que não há reentrâncias microscópicas ou outras imperfeições na superfície. “Fizemos então uma espécie de quesadilla ou panini onde o bismuto é o recheio de queijo e as tortilhas são as superfícies atomicamente planas”, disse Wu.
“Houve um momento de nervosismo em que passamos mais de um ano produzindo esses lindos cristais finos, mas não tínhamos ideia se suas propriedades elétricas seriam algo extraordinário”, disse Sanchez-Yamagishi. “Mas quando resfriamos o dispositivo em nosso laboratório, ficamos surpresos ao observar oscilações quânticas, que não haviam sido vistas anteriormente em filmes finos de bismuto.”
“A compressão é uma técnica de fabricação muito comum usada para fazer materiais domésticos comuns, como folha de alumínio, mas não é comumente usada para fazer materiais eletrônicos como os de seus computadores”, acrescentou Sanchez-Yamagishi. “Acreditamos que nosso método será generalizado para outros materiais, como estanho, selênio, telúrio e ligas relacionadas com baixos pontos de fusão, e pode ser interessante explorar futuros circuitos eletrônicos flexíveis.”
Em seguida, a equipe quer explorar outras maneiras pelas quais os métodos de compressão e moldagem por injeção podem ser usados para fabricar os próximos chips de computador para telefones ou tablets.
“Nossos novos membros da equipe trazem ideias interessantes para este projeto e estamos trabalhando em novas técnicas para obter maior controle sobre a forma e a espessura dos cristais de bismuto cultivados”, disse Chen. “Isso simplificará a forma como fabricamos dispositivos e dará um passo mais perto da produção em massa.”
Referência: “Transporte eletrônico excepcional e oscilações quânticas em cristais finos de bismuto cultivados dentro de materiais van der Waals” por Laisi Chen, Amy X. Wu, Naol Tulu, Joshua Wang, Adrian Juanson, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael T. Pettes, Marshall A. Campbell, Mingjie Xu, Chaitanya A. Gadre, Yinong Zhou, Hangman Chen, Penghui Cao, Luis A. Jauregui, Ruqian Wu, Xiaoqing Pan e Javier D. Sanchez-Yamagishi, 13 de maio de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0
A equipe de pesquisa incluiu colaboradores da UC Irvine, do Laboratório Nacional de Los Alamos e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão. A pesquisa foi financiada principalmente pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, com apoio parcial vindo do Programa de Sementes do Centro de Materiais Complexos e Ativos da UC Irvine, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation.
https://w3b.com.br/cristais-ultrafinos-revelam-novas-possibilidades/?feed_id=10411&_unique_id=671ae7f3b7e5e
Os pesquisadores estão avançando na computação quântica desenvolvendo qubits baseados no spin de elétrons e buracos, com descobertas recentes na Universidade de Basel mostrando interações controladas entre qubits usando spins de buracos. Esses avanços sugerem um futuro promissor para computadores quânticos eficientes e escalonáveis que usam a tecnologia de silício existente.
Avanços na tecnologia qubit na Universidade de Basel mostram promessa de escalabilidade
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 quânticausando spins de elétrons e buracos para obter controle e interações precisas de qubits.
A busca por um computador quântico prático está a todo vapor, com pesquisadores de todo o mundo explorando uma ampla gama de tecnologias qubit. Apesar dos extensos esforços, ainda não há consenso sobre qual tipo de qubit maximiza melhor o potencial da ciência da informação quântica.
Qubits são a base de um computador quântico. Eles são responsáveis por processar, transferir e armazenar dados. Qubits eficazes devem armazenar informações de maneira confiável e processar informações rapidamente. Isso exige interações estáveis e rápidas entre um grande número de qubits que sistemas externos possam controlar com precisão.
Os computadores quânticos mais avançados de hoje possuem apenas algumas centenas de qubits. Isso os limita a realizar cálculos que os computadores convencionais já são capazes de realizar e que muitas vezes podem fazer com mais eficiência. Para que a computação quântica avance, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de acomodar milhões de qubits em um único chip.
Elétrons e Buracos
Para resolver o problema de organizar e vincular milhares de qubits, pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN contam com um tipo de qubit que usa o spin (momento angular intrínseco) de um elétron ou de um buraco. Um buraco é essencialmente um elétron ausente em um semicondutor. Tanto os buracos quanto os elétrons possuem spin, que pode adotar um de dois estados: para cima ou para baixo, análogo a 0 e 1 nos bits clássicos. Comparado ao spin do elétron, o spin do buraco tem a vantagem de poder ser totalmente controlado eletricamente sem a necessidade de componentes adicionais, como microímãs no chip.
Dois qubits de rotação de buracos interagindo. Quando um buraco (magenta/amarelo) passa de um local para outro, seu spin (seta) gira devido ao chamado acoplamento spin-órbita, levando a interações anisotrópicas representadas pelas bolhas circundantes. Crédito: NCCR SPIN
Em 2022, os físicos da Basileia demonstrado que o buraco gira em um dispositivo eletrônico existente pode ser capturado e usado como qubits. Esses “FinFETs” (transistores de efeito de campo fin) são integrados aos smartphones modernos e são produzidos em processos industriais generalizados. Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Andreas Kuhlmann conseguiu pela primeira vez alcançar uma interação controlável entre dois qubits dentro desta configuração.
Spin-Flip controlado rápido e preciso
Um computador quântico precisa de “portas quânticas” para realizar cálculos. Estes representam operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Como relatam os pesquisadores na revista Física da Natureza, eles foram capazes de acoplar dois qubits e provocar um giro controlado de um de seus giros, dependendo do estado do giro do outro – conhecido como giro-flip controlado. “Os hole spins nos permitem criar portas de dois qubits que são rápidas e de alta fidelidade. Este princípio agora também torna possível acoplar um número maior de pares de qubits”, diz Kuhlmann.
O acoplamento de dois qubits de spin é baseado em sua interação de troca, que ocorre entre duas partículas indistinguíveis que interagem entre si eletrostaticamente. Surpreendentemente, a energia de troca dos buracos não é apenas controlável eletricamente, mas também fortemente anisotrópica. Isto é uma consequência do acoplamento spin-órbita, o que significa que o estado de spin de um buraco é influenciado pelo seu movimento através do espaço.
Para descrever esta observação em um modelo, físicos experimentais e teóricos da Universidade de Basel e do NCCR SPIN combinaram forças. “A anisotropia torna possíveis portas de dois qubits sem o compromisso usual entre velocidade e fidelidade”, diz Kuhlmann. “Qubits baseados em hole spins não apenas aproveitam a fabricação testada e comprovada de chips de silício, mas também são altamente escaláveis e provaram ser rápidos e robustos em experimentos.” O estudo ressalta que esta abordagem tem uma grande chance na corrida para desenvolver um computador quântico em grande escala.
Referência: “Interação de troca anisotrópica de dois qubits hole-spin” por Simon Geyer, Bence Hetényi, Stefano Bosco, Leon C. Camenzind, Rafael S. Eggli, Andreas Fuhrer, Daniel Loss, Richard J. Warburton, Dominik M. Zumbühl e Andreas V. Kuhlmann, 6 de maio de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02481-5https://w3b.com.br/a-revolucionaria-tecnologia-qubit/?feed_id=10287&_unique_id=670872f363a7b
Os simuladores quânticos estão agora abordando problemas físicos complexos, como a dinâmica dos ímãs quânticos 1D e suas possíveis semelhanças com fenômenos clássicos como o acúmulo de neve. Pesquisas recentes confirmam alguns aspectos desta teoria, mas também destacam desafios na validação completa da classe de universalidade KPZ em sistemas quânticos. Crédito: Google LLC
Simuladores quânticos estão revelando novos insights sobre ímãs quânticos 1D, comparando sua dinâmica com fenômenos como a acumulação de neve.
Os simuladores quânticos estão avançando rapidamente e agora podem resolver problemas anteriormente confinados à física teórica e à simulação numérica. Pesquisadores do Google Quantum AI e seus colaboradores demonstraram esse novo potencial explorando a dinâmica em ímãs quânticos unidimensionais, concentrando-se especificamente em cadeias de partículas de spin-1/2.
Eles investigaram um problema de mecânica estatística que tem sido o foco de atenção nos últimos anos: poderia tal ímã quântico 1D ser descrito pelas mesmas equações que a neve caindo e se aglomerando? Parece estranho que os dois sistemas estivessem conectados, mas em 2019, pesquisadores da Universidade de Ljubljana encontraram evidências numéricas impressionantes que os levaram a conjecturar que a dinâmica do spin no modelo spin-1⁄2 Heisenberg está no modelo Kardar-Parisi- Classe de universalidade Zhang (KPZ), baseada no escalonamento da função de correlação spin-spin de temperatura infinita.
Simulando magnetização em uma cadeia de spin quântico de Heisenberg. Crédito: Google LLC
A equação KPZ foi originalmente introduzida para descrever a dinâmica estocástica e não linear de interfaces acionadas e provou ser aplicada a uma ampla gama de sistemas clássicos, como frentes crescentes de incêndios florestais, que pertencem à classe de universalidade KPZ. Seria surpreendente se o modelo spin-1⁄2 de Heisenberg estivesse nesta classe de universalidade, conforme conjecturado pelos pesquisadores de Ljubljana, porque é linear e não estocástico, ao contrário dos outros sistemas desta classe.
Insights experimentais de simulações quânticas
Em 2022, simulações quânticas começaram a esclarecer esta questão com experimentos com átomos frios realizados por pesquisadores do Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Ao estudar o relaxamento de um desequilíbrio inicial dos spins magnéticos, encontraram evidências experimentais em apoio a esta conjectura, que foi publicado em Ciência em 2022.
Para explorar ainda mais a dinâmica de spin neste modelo, a colaboração do Google aproveitou a capacidade do seu processador quântico supercondutor para adquirir rapidamente grandes quantidades de dados experimentais, permitindo um estudo detalhado das estatísticas subjacentes. Especificamente, usando uma cadeia de 46 qubits supercondutores, eles mediram a distribuição de probabilidade de quantos spins cruzaram o centro da cadeia, uma quantidade conhecida como magnetização transferida.
A média e a variância dessa distribuição apresentaram comportamento consistente com estar na classe de universalidade KPZ, em plena concordância com os achados do grupo Max-Planck-Institut. Foi somente quando examinaram cuidadosamente o terceiro (assimetria) e o quarto (curtose) momentos da magnetização transferida que encontraram desvios claros das previsões para a classe de universalidade KPZ, indicando que a conjectura não se sustenta nas escalas de tempo sondadas no experimento .
Geralmente, medir a distribuição de uma variável estocástica com precisão suficiente para que os momentos mais elevados possam ser resolvidos com relação sinal-ruído suficiente é extremamente desafiador; precisa de amostragem rápida, um alto nível de controle e, para processadores quânticos, coerência quântica. Este trabalho, publicado em Ciênciarepresenta de forma excelente a atual era emocionante da simulação quântica, na qual os processadores quânticos permitem aprofundar nossa compreensão de novos fenômenos físicos.
Referência: “Dinâmica de magnetização a temperatura infinita em uma cadeia de spin de Heisenberg” por E. Rosenberg, TI Andersen, R. Samajdar, A. Petukhov, JC Hoke, D. Abanin, A. Bengtsson, IK Drozdov, C. Erickson, PV Klimov, X. Mi, A. Morvan, M. Neeley, C. Neill, R. Acharya, R. Allen, K. Anderson, M. Ansmann, F. Arute, K. Arya, A. Asfaw, J. Atalaya, JC Bardin, A. Bilmes, G. Bortoli, A. Bourassa, J. Bovaird, L. Brill, M. Broughton, BB Buckley, DA Buell, T. Burger, B. Burkett, N. Bushnell, J. Campero, H .-S. Chang, Z. Chen, B. Chiaro, D. Chik, J. Cogan, R. Collins, P. Conner, W. Courtney, AL Crook, B. Curtin, DM Debroy, A. Del Toro Barba, S. Demura, A. Di Paolo, A. Dunsworth, C. Earle, L. Faoro, E. Farhi, R. Fatemi, VS Ferreira, L. Flores Burgos, E. Forati, AG Fowler, B. Foxen, G. Garcia, É. Genois, W. Giang, C. Gidney, D. Gilboa, M. Giustina, R. Gosula, A. Grajales Dau, JA Gross, S. Habegger, MC Hamilton, M. Hansen, MP Harrigan, SD Harrington, P. Heu , G. Hill, MR Hoffmann, S. Hong, T. Huang, A. Huff, WJ Huggins, LB Ioffe, SV Isakov, J. Iveland, E. Jeffrey, Z. Jiang, C. Jones, P. Juhas, D Kafri, T. Khattar, M. Khezri, M. Kieferová, S. Kim, A. Kitaev, AR Klots, AN Korotkov, F. Kostritsa, JM Kreikebaum, D. Landhuis, P. Laptev, K.-M. Lau, L. Laws, J. Lee, KW Lee, YD Lensky, BJ Lester, AT Lill, W. Liu, A. Locharla, S. Mandrà, O. Martin, S. Martin, JR McClean, M. McEwen, S Meeks, KC Miao, A. Mieszala, S. Montazeri, R. Movassagh, W. Mruczkiewicz, A. Nersisyan, M. Newman, JH Ng, A. Nguyen, M. Nguyen, MY Niu, TE O'Brien, S. Omonije, A. Opremcak, R. Potter, LP Pryadko, C. Quintana, DM Rhodes, C. Rocque, NC Rubin, N. Saei, D. Sank, K. Sankaragomathi, KJ Satzinger, HF Schurkus, C. Schuster, MJ Shearn, A. Shorter, N. Shutty, V. Shvarts, V. Sivak, J. Skruzny, W. Clarke Smith, RD Somma, G. Sterling, D. Strain, M. Szalay, D. Thor, A. Torres , G. Vidal, B. Villalonga, C. Vollgraff Heidweiller, T. White, BWK Woo, C. Xing, Z. Jamie Yao, P. Yeh, J. Yoo, G. Young, A. Zalcman, Y. Zhang, N. Zhu, N. Zobrist, H. Neven, R. Babbush, D. Bacon, S. Boixo, J. Hilton, E. Lucero, A. Megrant, J. Kelly, Y. Chen, V. Smelyanskiy, V. Khemani, S. Gopalakrishnan, T. Prosen e P. Roushan, 4 de abril de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adi7877
Descoberta em Nanoscala: Uma Nova Abordagem Eficiente para a Computação Quântica
Recentemente, cientistas descobriram uma nova técnica para melhorar a eficiência energética na computação quântica, utilizando ondas de spin. Essa descoberta pode ter implicações profundas para o futuro da tecnologia quântica.
Introdução
A computação quântica é uma área que promete revolucionar a forma como processamos informações. Diferente dos computadores tradicionais, que operam com bits binários, os computadores quânticos utilizam qubits, que podem existir em vários estados simultaneamente. Isso permite a resolução de problemas complexos muito mais rapidamente. Contudo, um dos principais desafios é a eficiência energética, já que os métodos atuais exigem alto consumo de energia e geram calor significativo.
A descoberta recente de pesquisadores das universidades de Lancaster e Radboud apresenta uma solução promissora: o uso de ondas de spin para processamento de informações. Esta abordagem não só melhora a eficiência energética, mas também elimina a necessidade de correntes elétricas que causam aquecimento.
A Revolução das Ondas de Spin
Como funcionam as ondas de spin?
Ondas de spin são flutuações na orientação dos spins dos elétrons, que podem ser utilizadas para transportar e processar informações em escala nanométrica. Essas ondas se comportam de forma análoga às ondas de luz ou som, mas ao invés de deslocarem partículas, elas transferem momentos angulares dentro de materiais magnéticos.
Aplicações Potenciais da Nova Abordagem
A geração e controle dessas ondas de spin através de pulsos de luz abrem inúmeras possibilidades para a computação quântica e outras áreas tecnológicas. Sistemas que utilizam ondas de spin podem ser aplicados em dispositivos de armazenamento de dados, sensores magnéticos, e até em redes de comunicação quântica, onde a transmissão de dados ocorre sem dissipação de energia.
Vantagens em Relação aos Métodos Tradicionais
Diferente das correntes elétricas convencionais que movem elétrons e causam aquecimento, as ondas de spin não envolvem movimento de partículas, o que reduz a perda de energia. Essa característica permite a criação de dispositivos que operam em temperaturas mais baixas, prolongando a vida útil dos componentes e possibilitando uma maior miniaturização dos circuitos quânticos.
O Papel dos Pulsos de Luz no Controle das Ondas
A utilização de pulsos de luz para controlar as ondas de spin é um avanço significativo, pois oferece precisão sem a necessidade de eletricidade direta. Este método possibilita a manipulação rápida e precisa dos qubits em computadores quânticos, facilitando operações mais complexas de forma eficiente.
Perspectivas Futuras para a Computação Quântica
Essa inovação representa apenas um passo inicial rumo a um futuro onde os dispositivos quânticos sejam mais acessíveis e amplamente utilizados. A eficiência energética é um fator crítico para a viabilidade comercial dessas tecnologias. Com essa nova abordagem, pode-se esperar o desenvolvimento de processadores quânticos mais compactos e eficientes.
Ondas de Spin em Diferentes Campos Tecnológicos
As aplicações das ondas de spin não se limitam apenas à computação quântica. Elas também têm potencial para revolucionar áreas como:
Armazenamento de Dados: Permitem o desenvolvimento de memórias magnéticas mais rápidas e duráveis.
Sensores de Precisão: Facilitam a criação de sensores capazes de detectar pequenas mudanças em campos magnéticos.
Comunicação Quântica: Podem ser utilizadas em redes de comunicação seguras, com maior resistência à interferência.
Conclusão
A descoberta de que ondas de spin podem ser geradas e controladas eficientemente em escala nanométrica através de pulsos de luz representa um avanço monumental para a computação quântica. Essa técnica promete não apenas melhorar a eficiência energética, mas também reduzir os problemas de aquecimento e ampliar as possibilidades tecnológicas em várias indústrias. O futuro da computação quântica parece estar mais próximo do que imaginávamos, graças a essa inovadora abordagem.
Perguntas Frequentes
Qual a principal vantagem do uso de ondas de spin na computação quântica?
O uso de ondas de spin elimina a necessidade de correntes elétricas, reduzindo o aquecimento e aumentando a eficiência energética.
Como as ondas de spin são geradas?
São geradas através de pulsos de luz que manipulam a orientação dos spins dos elétrons em materiais magnéticos.
Quais são as aplicações potenciais das ondas de spin além da computação?
Podem ser usadas em armazenamento de dados, sensores magnéticos de precisão e comunicação quântica.
Essa tecnologia já está pronta para uso comercial?
Ainda está em fase de pesquisa, mas os avanços indicam um futuro promissor.
Por que a eficiência energética é um desafio na computação quântica?
Os dispositivos atuais geram muito calor devido ao movimento dos elétrons, limitando o desempenho e a miniaturização dos componentes.
Como essa descoberta pode influenciar o desenvolvimento de computadores quânticos?
Pode levar ao desenvolvimento de dispositivos mais compactos e energeticamente eficientes, acelerando a adoção da computação quântica.
Sugestões para links internos e externos:
A conversão de frequência quântica, crucial para uma Internet quântica global, está sendo avançada pelo projeto HiFi, que aborda incompatibilidades de comprimento de onda e estabiliza as comunicações quânticas. Crédito: SciTechDaily.com
Fraunhofer IAF atinge potência de saída recorde com VECSEL para conversores de frequência quânticos.
A expansão da fibra óptica está a progredir em todo o mundo, o que não só aumenta a largura de banda das ligações convencionais à Internet, mas também aproxima a realização de uma Internet quântica global. A Internet quântica pode ajudar a explorar plenamente o potencial de certas tecnologias. Estes incluem muito mais poderosos
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 através da ligação de processadores e registos quânticos, comunicação mais segura através da distribuição de chaves quânticas ou medições de tempo mais precisas através da sincronização de relógios atómicos.
No entanto, as diferenças entre o padrão de fibra de vidro de 1550 nm e os comprimentos de onda do sistema dos vários bits quânticos (qubits) realizados até o momento representam um obstáculo, porque esses qubits estão principalmente na faixa espectral do visível ou do infravermelho próximo. Os pesquisadores querem superar esse obstáculo com a ajuda da conversão quântica de frequência, que pode alterar especificamente as frequências dos fótons, mantendo todas as outras propriedades quânticas. Isso permite a conversão para a faixa de telecomunicações de 1550 nm para transmissão de estados quânticos de longo alcance e baixa perda.
Projeto HiFi: Habilitando tecnologias para conversão de frequência quântica
No projeto conjunto “HiFi — Conversor de frequência quântica altamente integrado de alta fidelidade baseado em tecnologia inovadora de laser, fibra e produção” financiado pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF), os pesquisadores estão trabalhando na realização de todas as tecnologias necessárias para fornecer conversores de frequência quântica (QFK) com alta eficiência e baixo ruído para trilhas de teste iniciais. O Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF contribuiu para o projeto com o desenvolvimento bem-sucedido de lasers de disco (também conhecidos como lasers emissores de superfície de cavidade vertical externa, VECSELs) baseados em antimoneto de gálio (GaSb). Estes são lasers semicondutores emissores de superfície, bombeados opticamente, com um ressonador externo e filtro intracavitário para seleção de comprimento de onda.
Potência de saída de 2,4 W com estabilidade absoluta de frequência abaixo de 100 kHz
“Os VECSELs que desenvolvemos como parte do HiFi são fontes de bomba espectralmente de banda estreita que, dependendo do comprimento de onda de saída dos qubits usados, cobrem especificamente um comprimento de onda entre 1,9 e 2,5 µm e atingem uma potência de saída de até 2,4 W com uma potência absoluta. estabilidade de comprimento de onda inferior a 2 fm. Isto corresponde a uma estabilidade de frequência inferior a 100 kHz e cai claramente abaixo da classe de estabilidade de frequência 1E-9. O resultado representa um recorde internacional para este tipo de laser”, explica o Dr. Marcel Rattunde, coordenador do subprojeto HiFi e chefe do departamento de optoeletrônica da Fraunhofer IAF.
“O resultado foi possível graças à estreita cooperação com o parceiro do projeto MENLO Systems GmbH. Juntos, travamos o disco laser em um pente de frequência, que por sua vez foi acoplado a uma referência de 10 MHz”, enfatiza Rattunde.
Em seus experimentos, os pesquisadores definiram o comprimento de onda de emissão exatamente no comprimento de onda alvo para experimentos de demonstração no link de fibra da Universidade de Saarland (2.062,40 nm), para a qual Fraunhofer IAF entregou o módulo de laser. Além do escalonamento de potência, as tarefas de pesquisa mais importantes do Fraunhofer IAF no projeto HiFi são a compreensão precisa do comportamento do modo dos lasers e a identificação e eliminação de fontes de ruído.
Conversão de frequência quântica usando lasers de bomba
Na conversão quântica de frequência, a energia da bomba
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 é subtraído do fóton de sinal por um processo de diferença de frequência em um cristal óptico não linear. Para garantir um processo de baixo ruído, a energia dos fótons da bomba deve estar abaixo do comprimento de onda alvo (geralmente 1550 nm), caso contrário, o laser da bomba pode gerar fótons no sinal de saída devido a efeitos parasitas.
Em combinação com o pente de frequência MENLO, os VECSELs desenvolvidos no Fraunhofer IAF atendem aos altos requisitos de conversão de frequência quântica, pois sua largura de banda estreita e estabilidade de comprimento de onda evitam flutuações no comprimento de onda da bomba e, consequentemente, mudanças no comprimento de onda alvo dos qubits. Se houver um desvio acima da largura de linha natural, os qubits não seriam mais indistinguíveis, o que eliminaria um requisito básico para o processamento mecânico quântico subsequente.
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, 2N), mas só aumenta polinomialmente, ou seja, com Nx, 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.adj5170https://w3b.com.br/salto-quantico-redefinindo-a-solucao-de-problemas-complexos/?feed_id=9037&_unique_id=6695c072aec51
Pesquisadores liderados pela professora Giulia Gall da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker, juntamente com colaboradores na Suécia, usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como defeitos no óxido de cálcio simples podem produzir qubits com um punhado de propriedades promissoras. Crédito: Escola de Engenharia Molecular UChicago Pritzker / Peter Allen, editado
A geração confiável de números aleatórios tornou-se um componente central da tecnologia de informação e comunicação. Na verdade, geradores de números aleatórios, algoritmos ou dispositivos que podem produzir sequências aleatórias de números estão agora ajudando a proteger as comunicações entre diferentes dispositivos, a produzir amostras estatísticas e para várias outras aplicações.
Pesquisadores da Toshiba Europe Ltd. desenvolveram recentemente um novo gerador quântico de números aleatórios (QRNG) baseado em um circuito integrado fotônico que pode ser integrado diretamente em dispositivos eletrônicos. Este QRNG, 
