Resumo:
Embora os computadores quânticos tenham há muito tempo um potencial computacional incrível, eles sempre enfrentaram desafios no armazenamento de informações. Agora, uma equipe de pesquisa do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH Zurique) propôs uma nova arquitetura de computação quântica que armazena informações causando vibrações mecânicas em microestruturas, reduzindo significativamente o tamanho da memória quântica e espera-se que estabeleça as bases para futuros computadores quânticos universais programáveis.
O novo chip quântico desenvolvido pela equipe de pesquisa usa um pequeno componente chamado “ressonador mecânico”. Quando um sistema precisa preservar informações quânticas, essas estruturas começam a vibrar em frequências extremamente altas, e as informações são armazenadas nesses estados vibracionais. O chip inteiro tem cerca de 7,5 mm de comprimento, 2,5 mm de largura e 1 mm de altura e tem apenas o tamanho de uma unha pequena.
O sistema funciona de maneira semelhante a uma guitarra, diz o líder do projeto Yiwen Chu, físico quântico da ETH Zurique. As cordas da guitarra vibram para produzir notas musicais, e os novos chips quânticos usam vibrações mecânicas microscópicas muito além do alcance da audição humana para preservar e processar informações quânticas. No entanto, essas vibrações não são sons, mas sim portadores de um estado quântico.
Atualmente, os computadores quânticos supercondutores convencionais geralmente adotam um design altamente integrado, com qubits responsáveis pelas tarefas de computação e pelo armazenamento de informações. Embora este método tenha uma estrutura simples, o tempo que os qubits armazenam informações é relativamente curto e os dados são facilmente perdidos ao realizar operações complexas e de longo prazo. Para resolver este problema, os sistemas existentes geralmente conectam ressonadores eletromagnéticos adicionais para serem usados como memória. Esses ressonadores são capazes de preservar temporariamente os estados quânticos, permitindo que os qubits os releiam quando necessário. No entanto, essas estruturas geralmente dependem de cavidades ressonantes de micro-ondas, e os comprimentos de onda de micro-ondas estão frequentemente na faixa de centímetros, de modo que os tamanhos dos componentes associados também são grandes.
Para computadores quânticos, que devem operar em temperaturas próximas do zero absoluto, o espaço é um recurso extremamente precioso. Todo o sistema precisa ser colocado em um grande dispositivo de resfriamento criogênico, e o volumoso módulo de memória eletromagnética limitará significativamente as capacidades de expansão do sistema. A equipe da ETH Zurique escolheu uma abordagem completamente diferente.
Eles armazenam informações quânticas não em ondas eletromagnéticas na forma de fótons, mas em vibrações mecânicas chamadas "fônons". Como a velocidade de propagação das ondas sonoras nos sólidos é muito menor que a velocidade da luz, seus comprimentos de onda correspondentes também são bastante reduzidos. Isto significa que mais unidades de armazenamento de informações podem ser acomodadas no mesmo espaço. A equipe de pesquisa disse que esta nova arquitetura distingue claramente as responsabilidades do processador quântico e da memória de trabalho quântica pela primeira vez, semelhante à relação entre a CPU e a RAM nos computadores digitais modernos. Qubits supercondutores são responsáveis pelo cálculo e controle, enquanto ressonadores mecânicos servem como memória de trabalho e salvam dados temporários durante as operações.
Os pesquisadores acreditam que esse design não apenas melhora a densidade de armazenamento, mas também melhora a eficiência da organização do sistema. Como o processamento quântico e o armazenamento quântico são reparticionados, cada componente pode se concentrar nas tarefas nas quais é melhor, melhorando assim o desempenho geral.
Durante o experimento, a equipe usou com sucesso essa arquitetura para concluir operações lógicas quânticas básicas e tarefas de computação quântica mais complexas, e verificou a viabilidade desse projeto em sistemas reais. Os pesquisadores acreditam que isso marca um passo importante em direção a sistemas verdadeiramente programáveis na arquitetura de computação quântica.
Chu Yiwen disse que a colaboração eficiente entre processadores quânticos e memórias quânticas é uma base importante para que os futuros computadores quânticos sejam capazes de resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem resolver. Ela acredita que somente estabelecendo uma arquitetura com uma divisão clara de trabalho semelhante à dos computadores modernos os computadores quânticos poderão alcançar um desenvolvimento em maior escala.
Atualmente, essa conquista ainda está em fase de pesquisa experimental e ainda está longe dos computadores quânticos comerciais. No entanto, os membros da indústria acreditam que, à medida que a escala do hardware quântico continua a se expandir, a forma de armazenar e recuperar informações quânticas de forma eficiente se tornará um fator importante na determinação das futuras capacidades da computação quântica. Esta nova ideia de usar vibração mecânica para construir memória quântica pode fornecer um caminho técnico chave para a próxima geração de plataformas de computação quântica.
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