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Dispositivo abre caminho para rede de computadores quânticos

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Pesquisa do IFGW permite interação entre luz infravermelha e micro-ondas eletromagnéticas

Experimento com ressonador no IFGW: dispositivo de silício é composto de um guia de onda, por onde passa o feixe de luz infravermelha
Experimento com ressonador no IFGW: dispositivo de silício é composto de um guia de onda, por onde passa o feixe de luz infravermelha

É comum que os avanços científicos e tecnológicos das últimas décadas façam-se ilustrar por imagens da evolução dos computadores, nas quais fica evidente a diferença entre as máquinas dos anos 1960, ocupando salas inteiras, e os chips atuais, pequenos o suficiente para caber na ponta de um dedo. Hoje, a fronteira computacional a ser atingida encontra-se nas tecnologias quânticas, derivadas da mecânica das partículas subatômicas. Computadores quânticos teriam uma capacidade de resolver cálculos muito superior à dos computadores convencionais. No entanto, a busca pelo objetivo científico principal — a criação do computador quântico — enfrenta inúmeros desafios, ao mesmo tempo que apresenta o potencial de oferecer recursos ora impensáveis.

Pesquisadores do Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW) da Unicamp deram um passo importante nessa trajetória ao criarem um sistema responsável por facilitar a troca de informações entre computadores quânticos, algo que ainda encontra barreiras devido a especificidades desse tipo de máquina. O dispositivo permite traduzir micro-ondas eletromagnéticas em luz infravermelha, e vice-versa, tornando menos difícil a transferência da informação quântica. Com apenas 560 nanômetros, dimensão equivalente a um milionésimo de milímetro, a criação abre espaço para o estabelecimento, no futuro, de redes de computadores quânticos, algo semelhante à internet.

O estudo, publicado na revista Nature Communications, é de autoria dos professores Thiago Mayer Alegre e Gustavo Wiederhecker, do IFGW, dos doutorandos André Primo e Pedro Pinho, estudantes do mesmo instituto, e de pesquisadores da Escola Politécnica de Zurique (ETH Zurich), na Suíça, e da Universidade Técnica de Delft (TU Delft), nos Países Baixos.

Comunicação quântica

Sistemas quânticos de informação apresentam características únicas e potencialmente vantajosas. Diferentemente da computação clássica, esses sistemas não funcionam segundo a lógica binária, em que um bit, menor unidade de informação, representa o valor 0 ou 1. Ao contrário, os qubits, unidade de informação quântica, admitem, por meio da chamada superposição, que 0 e 1 possam estar presentes ao mesmo tempo e em diversas proporções. Isso amplia sua velocidade de cálculo de forma exponencial.

Outra diferença está nos materiais utilizados para armazenar imensas quantidades de informação. Na computação quântica, os qubits podem ser baseados em fótons (partículas de luz), íons, átomos ou outras partículas, o que confere a dispositivos diminutos uma grande capacidade de processamento. “Quando conseguimos realizar experimentos em escalas muito pequenas, coisas fundamentais acontecem”, reflete Alegre.

Algo do tipo implica conseguir trabalhar com frequências de onda muito específicas e sensíveis, o que, hoje, só é possível se os computadores quânticos estiverem operando em temperaturas extremamente baixas, em torno de 10 milikelvin (cerca de -273ºC). Uma pequena elevação de temperatura pode alterar essas frequências, fazendo com que a informação quântica se perca. Essa característica significa um obstáculo à comunicação entre sistemas quânticos, pois, para que seja transmitida, a informação precisa ser decodificada em frequências maiores, compatíveis, por exemplo, com fibras ópticas.

O doutorando Pedro Pinho (à esq.) e o professor Thiago Mayer Alegre: investimentos em computação quântica mobilizam diferentes segmentos
O doutorando Pedro Pinho (à esq.) e o professor Thiago Mayer Alegre: investimentos em computação quântica mobilizam diferentes segmentos

O que os pesquisadores criaram foi um ressonador capaz de realizar essa transição. O pequeno dispositivo de silício, com espessura de 250 nanômetros, é composto de um guia de onda, por onde o feixe de luz infravermelha passa, e cavidades ópticas livres para vibrações. Conforme a luz atravessa o dispositivo, os pesquisadores conseguem controlar tanto a mudança de frequência causada pela interação com as vibrações do sistema — o chamado efeito dispersivo — como a luz mandada para fora desse sistema, que é o efeito dissipativo, uma troca de energia com o meio externo. A associação desses dois fenômenos é algo inédito nos estudos da área. “Fomos pioneiros nesse trabalho. Com isso, interpretamos melhor o que está ocorrendo no sistema”, comenta o professor.

Com um controle maior sobre o fluxo de energia do sistema, a troca de informações entre computadores quânticos, segundo os cientistas, torna-se uma realidade mais palpável. “Tendo obtido a capacidade de aumentar a eficiência desses processos, em um sistema correto, torna-se possível escrever e ler informações quânticas de maneira extremamente eficiente”, avalia Pinho.

PARTÍCULAS DE GRANDE IMPACTO

Investir em tecnologias quânticas é uma decisão com implicações que vão muito além do campo científico e afeta, diretamente, os cenários econômico e político. Se, nos anos 1960, as disputas geopolíticas incentivaram o desenvolvimento da internet, hoje os investimentos em computação quântica mobilizam desde startups, passando por gigantes como Google e Meta, até acordos e restrições comerciais entre países como os Estados Unidos e a China.

Para os pesquisadores, quanto mais acessível o conhecimento sobre a mecânica quântica for para cientistas de diferentes áreas, maior a probabilidade de surgirem inovações. “Talvez as aplicações que projetamos hoje para as tecnologias quânticas não sejam as melhores. Com certeza, em algum momento, pesquisadores vão olhar para o que fazemos hoje e apontar uma outra aplicação”, reflete Primo. Se a linha de chegada dessa corrida científica ainda permanece distante, os ganhos tecnológicos do percurso podem fazer uma grande diferença para diversos setores. “A trajetória é longa e pode ser difícil motivar um público mais amplo. Porém, ela é tão importante quanto o produto final, porque abre caminhos que não eram vislumbrados antes”, aponta Alegre.

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