Nova técnica usa cavidades ópticas miniaturizadas para leitura paralela de qubits e supera gargalo histórico de escala
Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, anunciaram um avanço que pode destravar a expansão dos computadores quânticos para níveis inéditos. Um estudo publicado na revista Nature descreve um novo sistema baseado em luz, que permite a leitura simultânea de muitos qubits — os bits quânticos responsáveis pelo processamento de informação nesses dispositivos.
A computação quântica tem potencial para realizar, em poucas horas, cálculos que levariam milhares de anos em computadores tradicionais. No entanto, um dos principais obstáculos para sua evolução é a dificuldade de escalá-la. Os sistemas atuais operam com poucos qubits e enfrentam limitações na leitura dos dados gerados, que precisa ser rápida e confiável.
Na arquitetura desenvolvida em Stanford, cada qubit é formado por um átomo isolado. Para extrair informação desses átomos, os pesquisadores criaram cavidades ópticas miniaturizadas capazes de capturar fótons — partículas elementares da luz — emitidos durante o processo de leitura. O desafio histórico é que átomos emitem pouca luz e em todas as direções, o que dificulta a coleta do sinal. As cavidades resolvem esse gargalo ao direcionar a emissão luminosa para um caminho específico, facilitando a detecção.
Os testes realizados pela equipe incluíram um arranjo funcional com 40 cavidades ópticas, cada uma associada a um qubit, além de um protótipo maior com mais de 500 cavidades. Segundo os autores, os resultados indicam um caminho tecnicamente viável para a construção de redes quânticas que, no futuro, podem chegar à escala de milhões de qubits.
“Se quisermos construir um computador quântico, precisamos extrair informação dos bits quânticos muito rapidamente”, afirmou Jon Simon, professor associado de física e física aplicada em Stanford e autor sênior do estudo, à Science Daily. “Até agora, não havia uma forma prática de fazer isso em grande escala.”
Interação da luz e inovação técnica
Cavidades ópticas são usadas há décadas em experimentos de física, mas sua aplicação com átomos sempre foi limitada pela dificuldade de fazer a luz interagir de forma intensa com partículas tão pequenas. Para superar esse obstáculo, a equipe incorporou microlentes dentro de cada cavidade, concentrando o feixe de luz diretamente sobre o átomo. Mesmo com menos reflexões internas, o método se mostrou mais eficiente para extrair informação quântica.
“Desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de cavidade”, disse Adam Shaw, pesquisador de Stanford e primeiro autor do trabalho. Segundo ele, o sistema pode viabilizar computadores quânticos distribuídos, capazes de trocar dados em velocidades mais altas por meio de interfaces ópticas.
O potencial da computação quântica
Diferentemente dos computadores clássicos, que processam informações como zeros ou uns, os computadores quânticos operam com qubits, que podem representar múltiplos estados ao mesmo tempo. Essa propriedade permite explorar muitas combinações em paralelo, tornando essas máquinas promissoras para áreas como modelagem de materiais, química, desenvolvimento de medicamentos e quebra de códigos.
Pesquisadores estimam que apenas computadores quânticos com milhões de qubits conseguirão superar os supercomputadores atuais em aplicações práticas. Para Simon, alcançar esse patamar exigirá a conexão de vários sistemas quânticos menores em grandes redes. A leitura paralela baseada em luz apresentada no estudo é vista como um elemento central para essa expansão.
Além da computação, a tecnologia pode ter desdobramentos em outras áreas científicas. A capacidade de coletar luz de forma eficiente em escala microscópica pode ser aplicada em biossensores, técnicas avançadas de microscopia e até em astronomia, com telescópios ópticos de maior resolução.
O trabalho contou com pesquisadores de instituições como Universidade de Chicago, Harvard e Stony Brook, e recebeu apoio de agências públicas dos Estados Unidos. Parte dos autores também possui patentes relacionadas ao desenho das cavidades ópticas apresentadas no estudo.
