A tecnologia por trás dos computadores qua¢nticos do futuro estãose desenvolvendo rapidamente, com várias abordagens diferentes em andamento. Muitas das estratanãgias, ou "projetos", para computadores qua¢nticos dependem de a¡tomos ou circuitos elanãtricos semelhantes a a¡tomos artificiais. Em um novo estudo tea³rico na revista Physical Review X , um grupo de fa­sicos da Caltech demonstra os benefa­cios de uma abordagem menos estudada que não depende de a¡tomos, mas de molanãculas.

"No mundo qua¢ntico, temos vários projetos sobre a mesa e estamos melhorando simultaneamente todos eles", diz o autor principal Victor Albert, o Lee A. DuBridge Postdoctoral Scholar in Theoretical Physics. "As pessoas tem pensado em usar moléculas para codificar informações desde 2001, mas agora estamos mostrando como as molanãculas, que são mais complexas que os a¡tomos, podem levar a menos erros na computação qua¢ntica."

No coração dos computadores qua¢nticos estãoos chamados qubits. Eles são semelhantes aos bits dos computadores cla¡ssicos, mas, ao contra¡rio dos bits cla¡ssicos, eles podem experimentar um fena´meno bizarro conhecido como superposição, no qual existem em dois estados ou mais ao mesmo tempo. Como o famoso experimento mental do gato de Schra¶dinger, que descreve um gato que estãovivo e morto ao mesmo tempo, aspartículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo. O fena´meno da superposição estãono cerne da computação qua¢ntica: o fato de que os qubits podem assumir muitas formas simultaneamente significa que eles tem exponencialmente mais poder de computação do que os bits cla¡ssicos.

Mas o estado de superposição édelicado, pois os qubits estãopropensos a entrar em colapso para fora de seus estados desejados, e isso leva a erros de computação.

“Na computação cla¡ssica, vocêprecisa se preocupar com a inversão dos bits, em que um bit '1' vai para um '0' ou vice-versa, o que causa erros", diz Albert. "Isso écomo jogar uma moeda, e édifa­cil de fazer. Mas na computação qua¢ntica, as informações são armazenadas em superposições fra¡geis e atémesmo o equivalente qua¢ntico de uma rajada de vento pode levar a erros."

No entanto, se uma plataforma de computador qua¢ntica usa qubits feitos de molanãculas, dizem os pesquisadores, esses tipos de erros tem maior probabilidade de ser evitados do que em outras plataformas qua¢nticas. Um conceito por trás da nova pesquisa vem do trabalho realizado háquase 20 anos pelos pesquisadores do Caltech John Preskill , Richard P. Feynman Professor de Fa­sica Tea³rica e diretor do Instituto de Informação Qua¢ntica e Matanãria ( IQIM ), e Alexei Kitaev, o Professor Ronald e Maxine Linde de Fa­sica Tea³rica e Matema¡tica na Caltech, junto com seu colega Daniel Gottesman (PhD '97) do Perimeter Institute em Onta¡rio, Canada¡. Naquela anãpoca, os cientistas propuseram uma brecha que forneceria uma maneira de contornar um fena´meno chamado princa­pio da incerteza de Heisenberg, que foi introduzido em 1927 pelo fa­sico alema£o Werner Heisenberg. O princa­pio afirma que não se pode saber simultaneamente com precisão muito alta onde uma parta­cula estãoe para onde vai.

“Ha¡ uma piada em que Heisenberg éparado por um policial que diz saber que a velocidade de Heisenberg era 90 milhas por hora, e Heisenberg responde: 'Agora não tenho ideia de onde estou'”, diz Albert.

O princa­pio da incerteza éum desafio para os computadores qua¢nticos porque implica que os estados qua¢nticos dos qubits não podem ser conhecidos o suficiente para determinar se os erros ocorreram ou não. No entanto, Gottesman, Kitaev e Preskill descobriram que, embora a posição e o momento exatos de uma parta­cula não pudessem ser medidos, era possí­vel detectarmudanças muito pequenas em sua posição e momento. Essasmudanças podem revelar que ocorreu um erro, tornando possí­vel colocar o sistema de volta no estado correto. Este esquema de correção de erros, conhecido como GKP por causa de seus descobridores, foi recentemente implementado em dispositivos de circuito supercondutor .

"Erros estãobem, mas apenas se soubermos que eles acontecem", diz Preskill, um co-autor do artigo Physical Review X e também coordenador cienta­fico de um novo centro de ciência financiado pelo Departamento de Energia chamado Quantum Systems Accelerator . "O objetivo da correção de erros émaximizar a quantidade de conhecimento que temos sobre os erros em potencial."

No novo artigo, esse conceito éaplicado a moléculas girata³rias em superposição. Se a orientação ou o momento angular da molanãcula mudar um pouco, essasmudanças podem ser corrigidas simultaneamente.

"Queremos rastrear as informações qua¢nticas conforme estãoevoluindo sob o rua­do", diz Albert. "O rua­do estãonos chutando um pouco. Mas se tivermos uma sobreposição cuidadosamente escolhida dos estados das molanãculas, podemos medir a orientação e o momento angular, desde que sejam pequenos o suficiente. E então podemos chutar o sistema de volta para compensar."

Jacob Covey, coautor do artigo e ex-bolsista de pa³s-doutorado do Caltech que recentemente ingressou no corpo docente da Universidade de Illinois, diz que pode ser possí­vel controlar individualmente moléculas para uso em sistemas de informação qua¢ntica como esses. Ele e sua equipe fizeram avanços no uso de feixes de laser a³pticos, ou "pina§as", para controlar a¡tomos neutros individuais (a¡tomos neutros são outra plataforma promissora para sistemas de informação qua¢ntica).

"O apelo das moléculas éque elas são estruturas muito complexas que podem ser densamente compactadas", diz Covey. "Se pudermos descobrir como utilizar moléculas na computação qua¢ntica, podemos codificar informações de forma robusta e melhorar a eficiência com que os qubits são compactados."

Albert diz que o trio dele, Preskill e Covey forneceram a combinação perfeita de conhecimento tea³rico e experimental para atingir os resultados mais recentes. Ele e Preskill são ambos teóricos, enquanto Covey éum experimentalista. "Foi muito bom ter alguém como John para me ajudar com a estrutura de toda essa teoria de ca³digos de correção de erros, e Jake nos deu uma orientação crucial sobre o que estãoacontecendo nos laboratórios."

Preskill diz: "Este éum artigo que nenhum de nostrês poderia ter escrito por conta própria. O que érealmente divertido sobre o campo da informação qua¢ntica éque ele estãonos encorajando a interagir atravanãs de algumas dessas divisaµes, e do Caltech, com seus tamanho pequeno, éo lugar perfeito para fazer isso. "

O estudo Physical Review X , intitulado " Codificação robusta de um qubit em uma molanãcula ", foi financiado pelo Army Research Office, pela National Science Foundation (NSF) e pela Caltech.