Sabres de luz para computação quântica

Antônio Murilo Macedo
11/11/2016

Um duelo com sabres de luz. [1]
Um duelo com sabres de luz. [1]
As cenas de luta com sabres de luz foram um enorme sucesso na trilogia clássica Guerra nas Estrelas desde o primeiro filme em 1977. O caráter ficcional da luta é bem maior que muitos fãs da saga imaginam, pois, feixes de luz não interagem entre si no espaço livre, independente de sua intensidade. No entanto, duas unidades elementares de luz (fótons) podem em princípio interagir indiretamente através de um meio especial que atua como um mediador. A ideia básica é manter os fótons espacialmente separados e usar um deles para alterar de alguma forma o meio. Em seguida, a alteração do meio é usada para afetar o outro fóton. Finalmente, o primeiro fóton interage outra vez com o meio, garantindo assim a reciprocidade da interação efetiva entre os dois fótons. Este é o protocolo básico do “sabre de luz quântico”, ou seja, de uma interação efetiva entre fótons. Um dos problemas práticos deste procedimento é a dificuldade em se obter interações fortes e determinísticas, ou “sabres rígidos” em nossa analogia, que são essenciais para a construção de portas lógicas universais para a computação quântica.

Pesquisadores do Instituto Max Planck para Ótica Quântica [2,3] superaram as dificuldades práticas e obtiveram uma porta lógica determinística e universal para dois fótons. Dois métodos distintos de mediação foram utilizados nos dois experimentos. No primeiro [2], Stephan Dürr e colaboradores utilizaram o fenômeno de transparência induzida eletromagneticamente para armazenar um pulso de luz, contendo em média menos de um fóton, em uma nuvem microscópica de 100 mil átomos de rubídio. Este meio modificado foi então usado para produzir uma mudança de fase de 180 graus, ou seja, uma mudança no sinal da função de onda, em um fóton de outro pulso de luz. A operação lógica é completada com a liberação do fóton armazenado na nuvem. A porta lógica implementada no experimento, denominada porta de fase controlada por dois qubits [4], é universal no sentido de que qualquer operação em um computador quântico é uma sequência destas portas e portas simples de um qubit. No outro experimento [3], Stephan Sitter e colaboradores usaram como mediador da interação um único átomo de rubídio armadilhado por lasers entre dois espelhos separados por aproximadamente 0,5 milímetros. Dois fótons são enviados em direção ao átomo de rubídio um após o outro. O primeiro fóton muda o estado do átomo de rubídio apenas se tiver polarização positiva. Ocorrendo a mudança no estado do átomo, a polarização do segundo fóton é afetada. Os pesquisadores conseguiram implementar uma porta lógica CNOT, ou não-controlado, com este esquema, que também é uma porta lógica universal.

As portas lógicas fotônicas podem ser elementos decisivos para a construção de um computador quântico puramente ótico. A escalabilidade do esquema já permite em princípio sua operação em dispositivos de processamento de informação quântica, como repetidores quânticos e geradores de aglomerados de fótons. A União Europeia parece não ter mais dúvidas sobre o enorme potencial desta emergente tecnologia quântica. A Comissão Europeia deverá lançar em 2018, um fundo de 1 bilhão de euros para fomentar tecnologias quânticas nos próximos 10 anos [5]. O objetivo é colocar a Europa na vanguarda desta segunda revolução quântica trazendo grandes avanços para a ciência, a indústria e a sociedade.

[1] Crédito da imagem: Gerry Lauzon (Flickr) / Creative Commons (CC BY 2.0). URL: https://www.flickr.com/photos/bikeman04/6177117176.

[2] D Tiarks et al. Optical π phase shift created with a single-photon pulse. Sci Adv 2, e1600036 (2016).

[3] B Hackler et al. A photon-photon quantum gate based on a single atom in an optical resonator. Nature 536, 193 (2016).

[4] Um qubit, ou bit quântico, é a unidade básica de informação quântica. Além dos valores 0 e 1 de um bit clássico, o qubit pode estar em uma “superposição quântica” destes valores.

[5] European Commission. European Commission will launch €1 billion quantum technologies flagship. URL: https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/european-commission-will-launch-eu1-billion-quantum-technologies-flagship. Publicado em 17 de maio (2016).

Como citar este artigo: Antônio Murilo Macedo. Sabres de luz para computação quântica. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/11/sabres-de-luz-para-computacao-quantica/. Publicado em 11 de novembro (2016).

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Antônio Murilo Macedo

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Informação Quântica no Saense.

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