Bits fotônicos são empacotados dentro de um chip

Com informações da Agência Fapesp -  22/03/2017 no site Inovação Tecnológica

Efeito quântico possibilita codificar mais informações em cada bit - o esquema mostra o guia de onda no microchip de silício.[Imagem: Aseema Mohanty et al. - 10.1038/ncomms14010]

Bit multivalores

Um grupo de pesquisadores do Brasil e dos EUA conseguiu confinar dentro de um chip um sistema de bits fotônicos, que funcionam com base nas leis da mecânica quântica.

O efeito quântico possibilita codificar mais informações por bit, um fenômeno que está na base da busca pelos computadores quânticos e pelos computadores fotônicos, que substituam a eletricidade pela luz.

O que a equipe demonstrou é que o confinamento da luz em uma região muito pequena impõe restrições à sua propagação nas direções transversais ao eixo da sua "estrada", o chamado guia de ondas, o que define diferentes modos espaciais possíveis para a onda luminosa.

Variando a geometria interna, é possível obter vários modos espaciais da onda, várias transições de um modo para o outro e, assim, codificar, para apenas um par de fótons, uma grande quantidade de informações.

Efeito quântico

O efeito quântico explorado foi a interferência luminosa conhecida como HOM (Hong-Ou-Mandel). Descoberta em 1987 por Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou e Leonard Mandel, essa interferência ocorre quando dois fótons virtualmente idênticos atingem, um de cada lado, um vidro que é 50% transparente e 50% refletor.

Quando os fótons atingem o vidro, quatro situações são possíveis: 1) o fóton que vem de cima é refletido e o fóton que vem de baixo é transmitido; 2) ambos os fótons são transmitidos; 3) ambos os fótons são refletidos; 4) o fóton que vem de cima é transmitido e o fóton que vem de baixo é refletido.

[Imagem: Paulo Nussenzveig]

O efeito quântico, descrito pelas chamadas Regras de Feynman, faz com que as situações (2) e (3) se anulem por interferência quântica destrutiva, de modo que o quadro resultante é: ou os dois fótons saem por cima (1) ou os dois fótons saem para baixo (4), mas nunca um fóton para cada lado.

"Trata-se de um típico efeito quântico, pois conjuga no mesmo fenômeno um aspecto ondulatório (a interferência) e um aspecto corpuscular (a contagem de dois fótons discretos). O desvio do par de fótons para um lado ou para o outro pode ser considerado um bit de informação," explicou Paulo Nussenzveig, professor do Instituto de Física da USP.

Um fóton, muitos bits

A grande novidade apresentada pela equipe foi confinar este fenômeno dentro de um microchip, substituindo, com grande vantagem, o vidro parcialmente transmissor e parcialmente refletor por um guia de onda microscópico.

Conforme explica Nussenzveig, o confinamento da luz no minúsculo guia de ondas impõe restrições à sua propagação para as laterais - tentando escapar do guia. Devido à reflexão da luz pelas paredes do guia, e dependendo do comprimento de onda da luz, um efeito de interferência altera a intensidade da onda luminosa, criando o que os físicos chamam de diferentes "modos" espaciais possíveis para a onda.

Desta forma, variando a geometria interna do guia, é possível obter vários modos espaciais da onda e várias transições de um modo para o outro, o que permite codificar, para cada par de fótons, uma quantidade muito maior de informação. E esta é uma questão crucial para qualquer tipo de processador ou sensor: codificar o máximo de informação no mínimo de espaço.

O interesse de uma estrutura assim é codificar mais informação por fóton do que um único bit. Vários grupos, inclusive no Brasil, trabalham com esse intuito, codificando informação por meio do momento angular orbital da luz - a chamada luz torcida. A compactação dentro de um microchip aumenta a viabilidade de utilização tecnológica do fenômeno.

• Luz torcida miniaturizada já cabe dentro dos chips

Bibliografia:

Quantum interference between transverse spatial waveguide modes

Aseema Mohanty, Mian Zhang, Avik Dutt, Sven Ramelow, Paulo Nussenzveig, Michal Lipson

Nature Communications

Vol.: 8, Article number: 14010

DOI: 10.1038/ncomms14010

Inteligência Artificial chega aos computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/03/2017

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Inteligência artificial quântica

Pesquisadores espanhóis desenvolveram algoritmos de inteligência artificial para serem rodados em computadores quânticos.

Em um trabalho que une física, biologia e computação quântica, a equipe usou simuladores - já que computadores quânticos poderosos o suficiente ainda não estão disponíveis - para criar algoritmos evolutivos que imitam a vida, a seleção natural, a aprendizagem e a memória.

Na verdade, esses algoritmos são essenciais para o próprio desenvolvimento dos computadores quânticos, que precisam de programas confiáveis para que seu funcionamento possa ser atestado - quem acompanha o desenvolvimento desse campo se lembra certamente do algoritmo de Shor, um algoritmo quântico de fatoração que se tornou uma peça fundamental para a criação dos próprios processadores quânticos.

Como os novos algoritmos reproduzem em sistemas quânticos certas propriedades exclusivas de entidades vivas, Unai Alvarez Rodriguez e seus colegas da Universidade do País Basco cunharam um novo termo para descrever seu trabalho: biomimética quântica.

• Quem irá programar os computadores quânticos?

Biomimética quântica

O primeiro algoritmo recria um ambiente de seleção natural no qual os qubits funcionam como indivíduos que se replicam, sofrem mutações, interagem com outros indivíduos e com o meio ambiente, e até atingem um estado equivalente à morte.

"Nós desenvolvemos este mecanismo final para que os indivíduos tenham uma vida útil finita," explicou o pesquisador. Assim, ao combinar todos os elementos, o sistema não tem uma solução única e clara: "Abordamos o modelo de seleção natural como uma disputa entre diferentes estratégias nas quais cada indivíduo seria uma estratégia para resolver o problema e a solução seria a estratégia capaz de dominar o espaço disponível," detalhou Rodriguez.

Um simulador quântico permite essencialmente "pilotar" átomos para ver como as partículas quânticas se comportam. [Imagem: Britton/NIST]

O algoritmo para simular a memória, por outro lado, consiste em um sistema governado por equações. Essas equações apresentam uma dependência de seus estados anteriores e futuros, de modo que a maneira como o sistema muda "não depende apenas de como ele é agora, mas de onde estava há 5 minutos e de onde vai estar daqui a 5 minutos," explicou Rodriguez.

Finalmente, no algoritmo quântico relativo ao processo de aprendizagem de máquina, foram desenvolvidos mecanismos para otimizar tarefas bem definidas, melhorar os algoritmos clássicos e melhorar as margens de erro e a confiabilidade das operações.

Um resultado inesperado foi que "conseguimos codificar uma função em um sistema quântico, mas não escrevê-la diretamente; o sistema fez isso de forma autônoma, poderíamos dizer que ele 'aprendeu' por meio do mecanismo projetado para que isso acontecesse. É um dos mais novos avanços nesta pesquisa," destacou o pesquisador.

De modelos computacionais ao mundo real

"Apesar de terem sido feitas em modo teórico, as simulações que propomos foram concebidas para que possam ser rodadas em experimentos, em diferentes tipos de plataformas quânticas, como armadilhas de íons, circuitos supercondutores e guias de ondas fotônicas, entre outros. Para isso, contamos com a colaboração dos grupos experimentais," finalizou Rodriguez.

Se já se espera que os computadores quânticos apresentem ganhos em velocidade, a possibilidade de simular diretamente os processos biológicos em sistemas de inteligência artificial e aprendizado de máquina coloca novas possibilidades de computação cujo alcance é difícil de ser previsto.

Bibliografia:

Quantum Machine Learning without Measurements

Unai Alvarez-Rodriguez, L. Lamata, P. Escandell-Montero, J. D. Martín-Guerrero, E. Solano

arXiv

https://arxiv.org/abs/1612.05535

IBM lançará computador quântico comercial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/03/2017

Upgrade quântico

A IBM anunciou que fará um upgrade do seu processador quântico disponível pela internet gratuitamente, passando a máquina de 5 para 20 qubits.

Embora haja discordâncias entre os cientistas da computação, algumas estimativas dão conta de que um processador quântico na faixa entre 50 e 100 qubits será mais poderoso do que qualquer supercomputador existente, ao menos para determinados tipos de programas.

Desde que foi colocado no ar, em maio do ano passado, o ambiente quântico online da IBM criou uma comunidade de mais de 40.000 usuários, que rodaram 275.000 pequenos programas experimentais. Embora o processador de 5 qubits não seja mais poderoso do que um notebook, o desenvolvimento de algoritmos quânticos é um dos grandes desafios para essa próxima geração da tecnologia da informação.

Entre os experimentos feitos no Quantum Experience, uma equipe da Universidade de Maryland rodou um comparativo entre o processador quântico da IBM e o processador construído pela própria equipe, que usa 5 qubits de íons aprisionados em armadilhas magnéticas, uma abordagem distinta dos qubits supercondutores. A conclusão é que o processador da IBM é mais rápido, mas oferece menos precisão. E a precisão - ou, dito de outra forma, o recurso de correção de erros - é um dos grandes desafios para a construção de processadores quânticos práticos e universais.

A interface com o processador quântico, chamada Composer, facilita o acesso aos qubits e circuitos lógicos, permitindo testar algoritmos que são muito diferentes dos usados nos computadores eletrônicos. [Imagem: IBM]

Processador quântico comercial

Com base no sucesso alcançado, a IBM também anunciou a disponibilização de um serviço comercial baseado em processadores e simuladores quânticos. O sistema, batizado de IBM Q, deverá ir ao ar até o final deste ano, e sua utilização será feita mediante o pagamento de uma assinatura, cujo valor ainda não foi divulgado.

Em nota, a empresa anunciou o desenvolvimento de uma interface mais amigável, que permitirá que os programas sejam escritos usando linguagens de programação comuns, como a Python. Mas ainda não está claro se os serviços se basearão em simuladores de circuitos quânticos ou somente em um processador quântico real.

A empresa vem apostando nos qubits supercondutores, que funcionam em um ambiente criogênico. Várias equipes já construíram processadores similares de pequeno porte, mas seu funcionamento é delicado e requer atenção contínua de físicos especializados. A construção de um processador quântico "de uso geral", sobretudo um que possa ser operado de maneira transparente por usuários não-especializados, é tido como o grande avanço para a área da computação quântica - mas ainda não está claro se o IBM Q já deu esse passo.

A empresa canadense D-Wave oferece computadores quânticos há vários anos, mas seus processadores não são universais, podendo rodar apenas alguns tipos específicos de algoritmos quânticos. O Google também está investindo pesado em uma versão híbrida de processador quântico, além de ter interesse na própria D-Wave.

Bibliografia:

Experimental Comparison of Two Quantum Computing Architectures

N. M. Linke, D. Maslov, M. Roetteler, S. Debnath, C. Figgatt, K. A. Landsman, K. Wright, C. Monroe

arXiv

https://arxiv.org/abs/1702.01852

Inovação Tecnológica - Construção de computador quântico é radicalmente simplificada

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/12/2016

Um computador quântico de íons aprisionados consistiria em uma série de junções X com bits quânticos formados por íons aprisionados acima da superfície do chip (mostrado em cinza). Os bits quânticos individuais são manipulados simplesmente ajustando as tensões, simples como sintonizar um rádio em estações diferentes. Uma tensão V1 não gera nenhuma operação (zonas azuis), enquanto uma tensão V2 resulta em uma operação quântica em um único qubit (zonas verdes). Já uma tensão V3 resulta no entrelaçamento de dois qubits, que passam a compartilhar o mesmo valor (zonas vermelhas). [Imagem: University of Sussex]

Armadilhas de laser

"Vamos construir um computador quântico em grande escala aqui na Universidade usando esta nova tecnologia."

Foi assim que o professor Winfried Hensinger, da Universidade de Sussex, no Reino Unido, deu uma dimensão da importância da técnica inovadora que ele e sua equipe acabam de desenvolver.

Em termos simples, a técnica coloca a construção de computadores quânticos em grande escala ao alcance da tecnologia atual.

Não havia nada, em princípio, que impedisse a construção dos computadores quânticos universais. Mas os desafios tecnológicos pareciam ainda grandes demais - pelo jeito, até agora.

Floresta de lasers

Uma das principais abordagens para a computação quântica em pequena escala, como ela vem sendo testada em laboratório, usa íons (átomos carregados) aprisionados por feixes de laser, sendo que os feixes devem ser alinhados para cada íon individual - cada íon constitui um bit quântico.

Contudo, um computador quântico prático, em grande escala, precisaria de milhares de bits quânticos, exigindo, portanto, milhares de lasers precisamente alinhados, todos incrivelmente próximos uns dos outros.

Chip com qubits

Em vez disso, Seib Weidt e seus colegas inventaram um método simples onde as tensões são aplicadas a um microchip, sem qualquer necessidade de alinhar os feixes de laser - e obtiveram o mesmo efeito dos qubits aprisionados.

O protótipo apresentou uma taxa de erro impressionantemente baixa para um dispositivo em escala experimental e ainda sem otimizações.

"Este desenvolvimento muda radicalmente a computação quântica, tornando-a acessível para uso industrial e governamental. Vamos construir um computador quântico em grande escala, fazendo pleno uso desta nova tecnologia," reafirmou o professor Winfried Hensinger.

"Desenvolver esta nova tecnologia foi uma grande aventura e é absolutamente incrível observar que ela realmente funcionou no laboratório," disse Seb Weidt, acrescentando que ele espera que os computadores quânticos revolucionem a sociedade de maneira semelhante à revolução gerada pela emergência dos computadores clássicos.

Bibliografia:

Trapped-ion quantum logic with global radiation fields
Seib Weidt, J. Randall, S. C. Webster, K. Lake, A. E. Webb, I. Cohen, T. Navickas, B. Lekitsch, A. Retzker, Winfried Hensinger
Physical Review Letters
Vol.: 117, 220501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.220501