Tecnologia Científica
Primeiro algoritmo quântico distribuído aproxima supercomputadores quânticos
Em um marco que traz a computação quântica tangivelmente mais perto do uso prático em larga escala, cientistas do Departamento de Física da Universidade de Oxford demonstraram a primeira instância...
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Oxford - 23/02/2025
O novo estudo demonstrou a primeira instância de um algoritmo quântico sendo distribuído por múltiplos processadores. Crédito da imagem: Oxford University Physics e Helen Hainzer.
Em um marco que traz a computação quântica tangivelmente mais perto do uso prático em larga escala, cientistas do Departamento de Física da Universidade de Oxford demonstraram a primeira instância de computação quântica distribuída. Usando uma interface de rede fotônica, eles conectaram com sucesso dois processadores quânticos separados para formar um único computador quântico totalmente conectado, abrindo caminho para enfrentar desafios computacionais antes fora de alcance. Os resultados foram publicados na Nature.
O avanço aborda o "problema de escalabilidade" do quantum: um computador quântico poderoso o suficiente para ser disruptivo na indústria teria que ser capaz de processar milhões de qubits. Empacotar todos esses processadores em um único dispositivo, no entanto, exigiria uma máquina de tamanho imenso. Nessa nova abordagem, pequenos dispositivos quânticos são conectados, permitindo que as computações sejam distribuídas pela rede. Em teoria, não há limite para o número de processadores que podem estar na rede.
"Ao interconectar os módulos usando links fotônicos, nosso sistema ganha flexibilidade valiosa, permitindo que os módulos sejam atualizados ou trocados sem interromper toda a arquitetura."
Dougal Main, Departamento de Física, Universidade de Oxford
A arquitetura escalável é baseada em módulos que contêm apenas um pequeno número de qubits de íons presos (portadores de informação quântica em escala atômica). Eles são conectados usando fibras ópticas e usam luz (fótons) em vez de sinais elétricos para transmitir dados entre eles. Esses links fotônicos permitem que qubits em módulos separados sejam emaranhados*, permitindo que a lógica quântica seja executada entre os módulos usando teletransporte quântico.**
Embora o teletransporte quântico de estados tenha sido alcançado anteriormente, este estudo é a primeira demonstração de teletransporte quântico de portas lógicas (os componentes mínimos de um algoritmo) através de um link de rede. De acordo com os pesquisadores, isso poderia estabelecer as bases para uma futura 'internet quântica', onde processadores distantes poderiam formar uma rede ultra-segura para comunicação, computação e sensoriamento.
O líder do estudo, Dougal Main (Departamento de Física), disse: 'Demonstrações anteriores de teletransporte quântico se concentraram na transferência de estados quânticos entre sistemas fisicamente separados. Em nosso estudo, usamos o teletransporte quântico para criar interações entre esses sistemas distantes. Ao adaptar cuidadosamente essas interações, podemos executar portas quânticas lógicas - as operações fundamentais da computação quântica - entre qubits alojados em computadores quânticos separados. Essa inovação nos permite efetivamente 'conectar' processadores quânticos distintos em um único computador quântico totalmente conectado.'
Um pesquisador e uma pesquisadora usando óculos de proteção olham para dentro de um computador quântico, composto de muitos fios e componentes elétricos.
Dougal Main e Beth Nichol trabalhando no computador quântico distribuído. Crédito da imagem: John Cairns.
O conceito é semelhante ao funcionamento dos supercomputadores tradicionais. Eles são compostos de computadores menores conectados entre si para atingir capacidades maiores do que as de cada unidade separada. Essa estratégia contorna muitos dos obstáculos de engenharia associados à compactação de números cada vez maiores de qubits em um único dispositivo, ao mesmo tempo em que preserva as delicadas propriedades quânticas necessárias para computações precisas e robustas.
Professor David Lucas, um homem branco vestindo uma camisa azul e calças pretas. Ele está sentado em um prédio com luzes de tira verticais ao fundo.
Professor David Lucas. Crédito da imagem: Martin Small.
Os pesquisadores demonstraram a eficácia do método executando o algoritmo de busca de Grover. Este método quântico busca um item específico em um grande conjunto de dados não estruturados muito mais rápido do que um computador comum, usando os fenômenos quânticos de superposição e emaranhamento para explorar muitas possibilidades em paralelo. Sua demonstração bem-sucedida ressalta como uma abordagem distribuída pode estender as capacidades quânticas além dos limites de um único dispositivo, preparando o cenário para computadores quânticos escaláveis e de alto desempenho, poderosos o suficiente para executar cálculos em horas que os supercomputadores de hoje levariam muitos anos para resolver.
O professor David Lucas, principal pesquisador da equipe de pesquisa e cientista-chefe do UK Quantum Computing and Simulation Hub, liderado pelo Departamento de Física, disse: "Nosso experimento demonstra que o processamento de informações quânticas distribuídas em rede é viável com a tecnologia atual. Aumentar a escala dos computadores quânticos continua sendo um desafio técnico formidável que provavelmente exigirá novos insights de física, bem como um esforço intensivo de engenharia nos próximos anos."
O estudo 'Distributed Quantum Computing across an Optical Network Link' foi publicado na Nature. O financiamento principal para esta pesquisa foi fornecido pelo UKRI EPSRC, por meio do UK Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, parte do UK National Quantum Technologies Programme.
*Emaranhamento quântico: Onde duas partículas, como um par de fótons, permanecem correlacionadas mesmo quando separadas por grandes distâncias. Isso permite que elas compartilhem informações sem ter que viajar fisicamente.
** Teletransporte quântico: A transferência de informações quânticas por longas distâncias quase instantaneamente, usando emaranhamento.
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