computadores Quânticos de que o futuro pode operar através da energia transições de animado átomos, ou mesmo de pura luz, se um rápido crescimento da área de física atômica continua a encontrar-se com sucesso, escreve Keith Cooper
Para os físicos que persegue o santo graal da computação quântica, uma receita saborosa está se tornando cada vez mais difundida., Borrifar um punhado de átomos – rubídio é um ingrediente popular – para uma câmara de vácuo. Tratar com raios laser para arrefecer os átomos até meras fracções de grau acima do zero absoluto. Então adicione alguns fótons e ei presto-você criou um dos blocos básicos de construção de um computador quântico.
pelo menos, “essa é a idéia básica”, diz Mark Saffman, um físico atômico da Universidade de Wisconsin–Madison nos EUA. Central para tudo isso são átomos de Rydberg, que têm um único elétron de Valência exterior que pode ser animado para estados quânticos mais elevados. São os grandes papás do mundo Atómico., Tipicamente, um núcleo atômico é femtômetro em tamanho, mas em um átomo de Rydberg o elétron de Valência excitado pode viajar mícrons do núcleo enquanto ainda permanece ligado a ele, balonizando o raio atômico um bilhão de vezes em tamanho. Com um alcance tão grande, um átomo de Rydberg pode interagir com outros átomos próximos através de um poderoso momento dipolo elétrico um milhão de vezes melhor do que átomos “comuns”. É este poder interativo – e a capacidade de controlá-lo com um único fotão cuidadosamente escolhido-que faz dos átomos de Rydberg uma força tão potente no mundo dos sistemas de informação quântica.,
tecnologia de Gateway
no coração de qualquer computador – digital ou quântico-são portas lógicas. Um computador quântico funciona na escala atômica, onde reina a mecânica quântica, o que significa que as portas lógicas também devem ser construídas a partir de átomos. Uma porta não-porta, por exemplo, tem uma única entrada e dois estados, 0 e 1, mas para que a porta funcione requer que os átomos não apenas interajam, mas que a interação seja controlada. A força do dipolo eléctrico dos átomos de Rydberg e a nossa capacidade de controlar a excitação deles tornam-nos perfeitos para portas lógicas quânticas.,
Em 2010 Saffman e seus colegas em Wisconsin demonstrado a capacidade de construir portas lógicas usando dois neutro átomos de rubídio, complementando o trabalho realizado por uma equipe liderada por Philippe Grangier no Institut d”Optique, perto de Paris. A versão quântica de uma porta não é a porta controlada-não, ou CNOT, na qual os átomos de rubídio são os bits quânticos – ou “qubits” – da informação. Um é rotulado “controle”, e o outro”alvo”., Em seu estado fundamental, que envolve vários estados hiperfine que detêm a informação quântica, os átomos não interagem – os quatro mícrons que os separam podem muito bem ser um infinito. No entanto, ao excitar o átomo de controle no Estado de Rydberg, disparando um fóton ressonante nele que é absorvido, o elétron de Valência sobe para um nível de energia mais elevado, estendendo seu alcance o suficiente para permitir uma interação com o átomo alvo, “flipando” ele e permitindo que a porta CNOT para operar., “Usando o laser para excitar o átomo de controlo, podemos ligar a interacção e executar a nossa porta lógica, antes de devolver os átomos ao estado terrestre”, diz Saffman.
experimentos anteriores tinham usado íons para criar portas CNOT, mas o problema com íons é que, sendo carregado, não há nenhuma maneira fácil de desligar suas interações, o que limita quantos podem ser combinados em um qubit estável. Átomos neutros de Rydberg, no entanto, não enfrentam este problema. Isso não quer dizer que os átomos de Rydberg são um novo desenvolvimento – eles são conhecidos desde o final de 1800., O que realmente estimulou o desenvolvimento da física de Rydberg foi o advento da captura e refrigeração a laser, pelo qual Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e William Phillips compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 1997. É esta capacidade dos físicos de segurar e manipular átomos individuais usando a luz que abriu o caminho para os átomos de Rydberg serem usados em novas aplicações exóticas.Lasers
starkly shifted
Lasers podem ser usados para criar uma “Armadilha de dipolo óptico” que pode conter e arrefecer átomos a meros microkelvin acima do zero absoluto, ou mesmo até nanokelvin em alguns casos., Ao atravessar os lasers, este método pode ser expandido para uma estrutura óptica 2D ou 3D. Os lasers são afinados a uma cor distinta da frequência ressonante do átomo, para evitar que os átomos absorvam qualquer um dos fótons (o que lhes daria energia para saltar da armadilha). Neste ponto, um fenômeno conhecido como o efeito Stark entra em jogo, que é a mudança nos níveis de energia de um átomo em resposta a um campo elétrico de corrente alternada, como no produzido por uma onda eletromagnética. Para os átomos do Estado do solo, os níveis de energia são deslocados para uma energia ligeiramente mais baixa., A parte mais intensa dos raios laser, que é onde eles atravessam a rede, então se torna um poço potencial em que os átomos ficam presos, porque é aqui que eles experimentam a maior mudança e perdem a maior energia (Figura 1).uma vez presos, os átomos podem então ser excitados para o estado de Rydberg disparando um fóton de frequência ressonante sobre eles. O problema é que a energia do fóton ressonante pode sacudir o átomo para fora da armadilha, e assim a busca tem sido feita para “comprimentos de onda mágicos” que podem tanto prender e excitar um átomo ao mesmo tempo., Em 2015, com base em quase uma década de trabalho de físicos atômicos, um grupo liderado pelo físico Trey Porto do Instituto quântico conjunto da Universidade de Maryland, EUA, encontrou uma frequência mágica para átomos de rubídio que simultaneamente os prende em dois estados quânticos diferentes, que têm os principais números quânticos n = 5 e n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Em outras palavras, eles podem ser excitados para um estado de Rydberg de 18s, onde o elétron excitado está no orbital de 18s, enquanto permanecem na armadilha. Este comprimento de onda mágico corresponde a um comprimento de onda infravermelho de cerca de 1064 nm., Por um simples golpe de sorte, este é o comprimento de onda produzido por um laser Nd:YAG, que a maioria dos físicos usam de qualquer maneira porque ele fornece alguma da mais barata energia laser disponível. Isso é particularmente importante quando se quer muito poder sem levar à falência o departamento de física.”realmente, fomos sorrateiros e escolhemos uma cor de luz que prende tanto o estado de Rydberg que nos interessa como o estado terrestre”, diz a física Elizabeth Goldschmidt, que era um dos membros da equipa do Porto e agora está sediada no Laboratório de pesquisa do Exército dos EUA em Maryland.,embora a equipa do Porto tenha animado o rubídio até aos 18 anos, foi apenas um começo. Para chegar a números quânticos mais elevados – o que resulta em interações mais fortes através de maiores distâncias entre átomos, bem como estender o tempo de vida gasto no estado excitado-você precisa de comprimentos de onda mágicos mais curtos e mais curtos. Os Lasers que emitem estes comprimentos de onda mais curtos não estão tão amplamente disponíveis como os lasers de 1064 nm e, nas frequências mais altas, eles podem tornar-se custo-proibitivo. No entanto, os comprimentos de onda mágicos são um grande avanço para físicos como Saffman., “Ele prende átomos individuais e faz com que eles interajam em portões, então ele se preocupa mais em encontrar seus comprimentos de onda mágicos”, diz Goldschmidt.
até agora tão bom, mas comprimentos de onda mágicos e excitação de Rydberg não são suficientes por si só para fazer um computador quântico. O que falta é o aspecto quântico que permite que um qubit exista em muitos estados ao mesmo tempo, ao contrário de bits binários que só podem existir em um dos dois estados. Na física de Rydberg, este aspecto quântico é fornecido através de entrelaçamento.,
“o entrelaçamento é a parte que lhe dá algo mais do que você pode fazer com um computador clássico”, explica Charles Adams, um físico com o centro quântico conjunto na Universidade de Durham, no Reino Unido. O entrelaçamento é produzido pela interação dos átomos de Rydberg com outros átomos não excitados em torno deles. Em essência, a porta CNOT de Saffman é uma máquina de entrelaçamento e a eficiência da porta depende da “fidelidade” do entrelaçamento, que é definida como a quantidade de computações bem sucedidas que a porta lógica entrelaçada alcança em comparação com o número total de tentativas.,
executando o bloqueio
quando os átomos são os qubits, o papel do fóton é simplesmente excitar os átomos em seus estados de Rydberg. No entanto, Adams, entre outros, tem perseguido um prêmio ligeiramente diferente: um computador quântico feito de luz.
em tal dispositivo, ao invés dos átomos serem os qubits, os fótons agiriam como os qubits. Imediatamente há um potencial showstopper. Os fótons, sendo partículas sem massa, não interagem uns com os outros e normalmente não podem criar portas lógicas., Exponha-os aos átomos de Rydberg, no entanto, e o jogo muda, permitindo aos físicos criar Estados fotônicos exóticos e até mesmo “moléculas” de luz.é tudo possível graças à natureza cliquey dos átomos de Rydberg. Reúna um grupo próximo de átomos de rubídio (ou estrôncio, césio, sódio ou qualquer que seja o seu átomo neutro favorito), arrefeça-os e envie um fotão. Um dos átomos é animado para o estado de Rydberg e interage com os outros átomos em torno dele, mudando seus níveis de energia., Então, quando um segundo, idêntico, fóton é enviado para este “conjunto Rydberg”, ele descobre que está subitamente fora de sintonia com sua frequência ressonante e não pode excitá-los. Em essência, os átomos de Rydberg colocaram um “bloqueio” na criação de outros átomos de Rydberg a partir de um segundo fóton dentro de um volume talvez 10 µm de diâmetro.
para o segundo fotão, no entanto, isso é uma boa notícia., “Significa que o segundo fóton vê uma resposta óptica diferente para o meio – efetivamente ele pode ver um índice refrativo diferente – então o comportamento do meio para o segundo fóton é muito diferente do primeiro”, diz Adams. Enquanto os dois fótons são da mesma frequência, a nuvem de rubídio torna-se transparente para o segundo fóton, um efeito chamado “transparência eletromagneticamente induzida”., Normalmente, o segundo fotão correria à frente, mas o índice refrativo da nuvem de rubídio é alterado de tal forma que o segundo fotão permanece próximo do conjunto de Rydberg excitado pelo primeiro fotão.
Como os átomos excitados pelo primeiro fóton retornam ao estado do solo após alguns microssegundos, então não só o primeiro fóton pode continuar em seu caminho, mas o segundo fóton também é livre para formar seu próprio conjunto Rydberg, colocando um bloqueio no primeiro fóton., Desta forma, os dois fótons empurram-se e puxam-se uns aos outros através da nuvem de rubídio a cerca de 400 m/s, até emergirem juntos, entrelaçados quânticos e aparentemente ligados como uma molécula.nesta situação, os fótons e os átomos de Rydberg tornam-se fortemente acoplados, diz Mikhail Lukin da Universidade de Harvard, EUA., Ele co-criou a técnica de bloqueio em átomos frios em 2001, juntamente com seus colegas Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac e Peter Zoller, e também foi o primeiro a usar bloqueios para criar essas moléculas de luz aprimoradas por Rydberg em 2012, juntamente com Vladan Vuletić do Massachusetts Institute of Technology, EUA.
“O acoplamento significa que eles essencialmente formam uma nova quase-partícula chamada polariton, que é parte Luz e parte átomos”, explica Lukin., A metade atômica do polariton atua como um freio para os fótons, de modo que quanto maior a excitação atômica, mais lenta a velocidade de propagação dos fótons através do rubídio. Lukin e Vulgetić estão agora a trabalhar na repetição da experiência com mais de dois fotões.
estas interações fóton-fóton são fundamentalmente diferentes de como a luz normalmente age e eles abrem a porta para usar fótons entrelaçados como circuitos de computadores quânticos. Mas as portas da lógica atômica ainda não estão fora de cena, diz Goldschmidt., Ela acha que as portas lógicas ópticas dos fótons interagindo seriam melhor aplicadas a simulações quânticas do que a computação quântica em si.
um simulador quântico, como o nome sugere, simula sistemas complexos ao invés de computá-los. Em essência, é uma versão quântica de uma simulação computadorizada de muitos corpos e seria projetado para enfrentar problemas específicos., “Em uma simulação quântica você tem interações entre os muitos corpos de seu sistema quântico e você pode assim simular algum outro sistema quântico de muitos corpos sem tentar implementar código com portas específicas”, diz Goldschmidt.os investigadores que trabalham na física de Rydberg têm um objectivo principal, independentemente de os próprios átomos de Rydberg serem os circuitos de sistemas de informação quântica, ou de os fotões facilitados pelos átomos de Rydberg assumirem esse papel., Seu objetivo é pressionar para a manipulação de maior fidelidade destas portas lógicas para aumentar a qualidade de sua saída e fornecer correções de erro interno. O melhor caminho a seguir, envisions Lukin, é um sistema híbrido, pelo qual átomos de Rydberg e interações de fótons estão ambos envolvidos no processamento de informação.
“O que é interessante sobre a nossa abordagem é que ela nos permite utilizar o melhor de ambos os mundos”, diz ele. “Para computação, você pode querer armazenar qubits usando átomos, mas para se comunicar entre os qubits armazenados, você realmente gostaria de usar fótons.,”
Adams vai ainda mais longe, especulando como computadores quânticos e simuladores poderia um dia se tornar computadores desktop, e não por resfriamento seus átomos incrivelmente temperaturas frias, que envolve grandes aparelhos e muita energia, mas por operar em temperatura ambiente. Adams e seus colegas em Durham realizaram experimentos com átomos de Rydberg em vapores “quentes” até 50 °C, mas o problema é o movimento browniano que se segue nos átomos quentes e energéticos., Uma vez que os fótons são armazenados no meio como uma onda, este movimento destrói a informação de fase, o que significa que o qubit fotônico não pode ser recuperado. Ainda assim, se este e outros desafios podem ser superados, então Adams sugere que pode ser possível construir um computador quântico no qual os fótons armazenados em bolhas virtuais impostas pelo processo de bloqueio de Rydberg mediam uma interação que forma um portal óptico. “Mas ainda estamos longe de saber como fazer esse tipo de circuito todo-óptico integrado”, diz ele.a física de Rydberg não é o único jogo na cidade quando se trata de computadores quânticos., Íons presos, supercondutores, diamantes e condensados de Bose–Einstein, entre outros, são concorrentes para a coroa quântica. Mas os átomos de Rydberg também têm outros usos. Por exemplo, ao escolher um conjunto de Rydberg em uma frequência ressonante específica – digamos terahertz, ou microondas – ele poderia atuar como um sensor sofisticado, produzindo uma saída óptica quando ele pega esses campos., As interações fóton-fóton forçadas por bloqueios de Rydberg podem até levar a Estados exóticos de luz que são considerados cristalinos ou líquidos, onde as interações mantêm os fótons Unidos em algo que pode parecer um sabre de luz.
“A física de Rydberg cresceu em momentum ao longo da última década”, diz Adams. “Há grupos em quase todos os lugares agora fazendo algum aspecto disso.”É notável o que a física de Rydberg poderia realizar, considerando que os ingredientes são algumas das coisas mais simples do universo: átomos e fótons.,
- Journal of Physics B, a partir de IOP Publishing – que também publica a Física do Mundo – está atualmente lançando uma questão de foco no “Rydberg física atômica”
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