Engenheiros demonstram uma vantagem quântica

Pesquisadores da Universidade do Arizona demonstram uma vantagem quântica. Universidade do Arizona

Pesquisadores da University of Arizona College of Engineering e da James C. Wyant College of Optical Sciences demonstram experimentalmente como os recursos quânticos não são apenas sonhos para um futuro distante, mas podem melhorar a tecnologia de hoje.

A computação quântica e a detecção quântica têm o potencial de ser muito mais poderosos do que seus equivalentes clássicos. Um computador quântico totalmente realizado não só poderia levar apenas alguns segundos para resolver equações que levariam milhares de anos a um computador clássico, como também poderia ter impactos incalculáveis ​​em áreas que vão desde imagens biomédicas até direção autônoma.

No entanto, a tecnologia ainda não existe.

Na verdade, apesar das teorias amplamente difundidas sobre o poderoso impacto das tecnologias quânticas, muito poucos pesquisadores foram capazes de demonstrar, usando a tecnologia agora disponível, que os métodos quânticos têm uma vantagem sobre seus equivalentes clássicos.

Em artigo publicado em 1º de junho de 2021 na revista Verificação física X, Pesquisadores da Universidade do Arizona demonstram experimentalmente que a tecnologia quântica tem uma vantagem sobre os sistemas de computador clássicos.

“Demonstrar uma vantagem quântica é um objetivo muito procurado na comunidade e poucos experimentos foram capazes de demonstrá-lo”, disse o co-autor do artigo Zheshen Zhang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais e investigador principal do UArizona. Grupo de Informações e Materiais Quânticos e um dos autores do artigo. “Procuramos demonstrar como podemos aproveitar a tecnologia quântica existente para beneficiar as aplicações do mundo real.”

Como (e quando) Quantum funciona

A computação quântica e outros processos quânticos dependem de unidades pequenas e poderosas de informação chamadas qubits. Os computadores clássicos que usamos hoje trabalham com unidades de informação chamadas bits, que existem como 0 ou 1, mas os qubits podem existir nos dois estados ao mesmo tempo. Essa dualidade os torna poderosos e frágeis. Qubits delicados tendem a entrar em colapso sem aviso, o que torna muito importante um processo chamado correção de erros, que trata os problemas à medida que eles ocorrem.

Quntao Zhuang e Zheshen Zhang

Quntao Zhuang (à esquerda), PI do Quantum Information Theory Group, e Zheshen Zhang, PI do Quantum Materials and Information Group, são professores assistentes na Faculdade de Engenharia. Crédito: Universidade do Arizona

O campo quântico está agora em uma era que John Preskill, um físico renomado do Instituto de Tecnologia da Califórnia, chamou de “quantum de escala intermediária barulhenta” ou NISQ. Na era NISQ, os computadores quânticos podem realizar tarefas que requerem apenas 50 a algumas centenas de qubits, embora com uma quantidade significativa de ruído ou interferência. Mais do que isso, o ruído domina o utilitário, fazendo com que tudo trave. Acredita-se amplamente que 10.000 a vários milhões de qubits seriam necessários para realizar aplicações quânticas praticamente úteis.

Imagine inventar um sistema que garanta que todas as refeições que você cozinhar serão perfeitas e, em seguida, dar esse sistema a um grupo de crianças que não tem os ingredientes certos. Vai ser ótimo em alguns anos, quando as crianças se tornarem adultas e puderem comprar o que precisam. Mas até então, a utilidade do sistema é limitada. Da mesma forma, até que os pesquisadores avancem no campo da correção de erros, que pode reduzir os níveis de ruído, os cálculos quânticos são limitados a uma pequena escala.

Vantagens do emaranhamento

O experimento descrito no artigo usou uma combinação de técnicas clássicas e quânticas. Especificamente, ele usou três sensores para classificar a amplitude e o ângulo médio dos sinais de radiofrequência.

Os sensores foram equipados com outro recurso quântico chamado emaranhamento, que permite que eles compartilhem informações entre si e oferece dois benefícios importantes: Primeiro, melhora a sensibilidade dos sensores e reduz erros. Em segundo lugar, por estarem emaranhados, os sensores avaliam propriedades globais em vez de coletar dados em partes específicas de um sistema. Isso é útil para aplicativos que precisam apenas de uma resposta binária; Por exemplo, em imagens médicas, os pesquisadores não precisam conhecer cada célula em uma amostra de tecido que não seja cancerosa, apenas se houver uma célula cancerosa. O mesmo conceito se aplica à detecção de produtos químicos perigosos na água potável.

O experimento mostrou que equipar os sensores com emaranhamento quântico deu a eles uma vantagem sobre os sensores clássicos, reduzindo a probabilidade de erros por uma margem pequena, mas crítica.

“Essa ideia de usar o emaranhamento para aprimorar os sensores não se limita a um tipo específico de sensor, então ele pode ser usado para uma variedade de aplicações diferentes, desde que você tenha o equipamento para emaranhar os sensores”, disse o co -autor, Quntao. Zhuang, professor assistente de engenharia elétrica e da computação e membro sênior do Quantum Information Theory Group. “Em teoria, você poderia considerar aplicativos como lidar (detecção de luz e alcance) para carros autônomos, por exemplo.”

Zhuang e Zhang desenvolveram a teoria por trás do experimento e a descreveram em um 2019 Verificação física X papel. Eles foram coautores do novo artigo com o autor principal Yi Xia, um estudante de doutorado na Faculdade de Ciências Óticas James C. Wyant, e Wei Li, um pesquisador de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais.

Classificadores Qubit

Existem aplicativos que usam uma combinação de processamento quântico e clássico na era NISQ, mas eles são baseados em conjuntos de dados clássicos pré-existentes que devem ser convertidos e classificados no domínio quântico. Imagine tirar uma série de fotos de cães e gatos e, em seguida, enviá-las a um sistema que usa métodos quânticos para rotular as fotos como “gato” ou “cachorro”.

A equipe está abordando o processo de rotulagem de um ângulo diferente, usando sensores quânticos para coletar seus próprios dados em primeiro lugar. É mais como usar uma câmera quântica especializada que rotula as fotos de “cachorro” ou “gato” à medida que são tiradas.

“Muitos algoritmos pegam os dados armazenados em um disco de computador e os convertem em um sistema quântico, o que leva tempo e esforço”, disse Zhuang. “Nosso sistema trabalha em um problema diferente, avaliando processos físicos que estão acontecendo em tempo real.”

A equipe está entusiasmada com as futuras aplicações de seu trabalho na interseção da detecção quântica e Computação quântica. Eles até imaginam um dia integrando toda a sua configuração experimental em um chip que poderia ser mergulhado em um biomaterial ou amostra de água para identificar doenças ou produtos químicos prejudiciais.

“Achamos que é um novo paradigma para computação quântica, aprendizado de máquina quântica e sensores quânticos, porque realmente cria uma ponte para interconectar todos esses domínios diferentes”, disse Zhang.

Referência: “Quantum Enhanced Data Classification with a Variable Tangled Sensor Network” por Yi Xia, Wei Li, Quntao Zhuang e Zheshen Zhang, 1 de junho de 2021, Verificação física X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021047

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