Cientistas russos desenvolveram um processador quântico de dois qudits, que equivale a um computador quântico de quatro qubits, um sistema de quatro íons com dois estados de energia cada. A criação de um processador quântico é a principal tarefa supervisionada pela Rosatom no âmbito do roteiro “Tecnologias Quânticas”.

Como parte do roteiro “Tecnologias Quânticas”, os cientistas estão desenvolvendo processadores quânticos baseados em supercondutores, átomos frios e fótons. O laboratório conjunto da FIAN e do Centro Quântico Russo está trabalhando com íons de itérbio, considerados os mais adequados para a criação de um computador quântico.

Cada um dos dois íons com os quais os cientistas trabalharam é um ququart, ou seja, um qudit, capaz de estar simultaneamente em quatro estados eletrônicos.

Um qudit é um qubit com três ou mais níveis de energia. Figurativamente, pode ser imaginada como uma casa de vários andares. “A transição de um nível de energia para outro é uma mudança no estado da camada eletrônica de um íon. Neste caso, a função de onda da camada eletrônica do íon muda”, comenta Ilya Semerikov, que faz pesquisas do Instituto FIAN. Precisamente as operações com qudits são a principal conquista do laboratório.

Um qubit é a menor unidade de informação em um processador quântico. Se um bit (uma unidade de informação em um computador comum) pode ter apenas dois valores: 0 ou 1, então um qubit também pode estar em sua superposição. Isso significa que um qubit pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo durante os cálculos.

Fisicamente, um qubit é um sistema com dois níveis de energia, um dos quais é um 0 e o outro é um 1.

Cada nível de energia de um ququart pode ser representado como um estado de um par de qubits: o primeiro é 00, o segundo é 01, o terceiro é 10, o quarto é 11.”Se pegarmos um par de íons com estados de energia 1 e 4, então o estado de registro quântico equivalente de quatro qubits será 0011, e para um par com estados 2 e 3, o estado de registro será 0110”, comenta Ilya Semerikov. Neste computador já é possível implementar os algoritmos mais simples, em particular os de Deutsch-Joji e Grover. O primeiro é usado para determinar o tipo de função (constante ou balanceado), o segundo é usado para uma pesquisa rápida em um banco de dados não ordenado.

“A plataforma de íons está mostrando alguns dos resultados mais empolgantes, o que é especialmente notável porque os íons não eram considerados uma prioridade para o desenvolvimento há cinco anos. Para nós, este é o primeiro resultado significativo no trabalho sobre o roteiro para computações quânticas.”, diz Ruslan Yunusov, chefe do Escritório de Projetos de Tecnologias Quânticas da Rosatom.

O que está por vir

Uma das próximas tarefas que os cientistas estão resolvendo é conseguir o emaranhamento de vários qubits. O emaranhamento envolve a mudança do estado de um íon dependendo do estado de outro. Portanto, não é o número de elementos no sistema que é importante, mas a capacidade de realizar operações conjuntas. Cientistas russos conseguiram emaranhar dois ququarts usando o método de Melmer-Sorenson, proposto no início dos anos 2000. Ele se baseia na excitação de oscilações de íons em uma armadilha sob a ação de um laser. As co-oscilações de íons na armadilha são uma espécie de “barramento de transferência de dados” de informações quânticas entre partículas.

Outra tarefa é criar uma plataforma em nuvem e acessar por meio dela o protótipo de um processador quântico. Os primeiros experimentos remotos já estão em andamento, para uma integração completa, é necessária a coordenação final das interfaces. O trabalho está previsto para 2022, e neles participarão especialistas da Rosatom e do Centro Quântico Russo.

A terceira tarefa é melhorar a fidelidade – um indicador da probabilidade de cálculo correto. Até agora, são 66% para operações de dois qubits e 85% para qudits. “Dadas as nossas capacidades e o fato de esta ser a primeira abordagem ao projétil, na minha opinião, foi obtido um resultado encorajador, que nos permite assumir a otimização da qualidade das operações”, – disse o diretor do Instituto de Física da Academia de Ciências (FIAN) Nikolai Kolachevsky durante uma reunião do Conselho Científico da Academia de Ciências sobre “Tecnologias Quânticas” em dezembro do ano passado. Para efeito de comparação, as equipes das empresas IONQ e Quantinuum, líderes na criação de computadores quânticos de íons, já estão trabalhando com 10-20 qubits de íons em cada um dos processadores, e a confiabilidade das operações de dois qubits já ultrapassou 98%.

Contexto do mercado

O mercado global de computação quântica está em seus estágios iniciais de formação, ainda é difícil determinar seu tamanho, pois as estimativas de especialistas diferem em uma ordem de magnitude: de US$ 38 milhões a US$ 320 milhões. Espera-se que nos próximos cinco anos chegue a 1-2 bilhões de dólares e possa chegar a 450-850 bilhões de dólares nos próximos 15-30 anos.

Tanto os governos quanto as corporações estão desenvolvendo a computação quântica. Grandes investimentos em quarts são a tendência dos últimos anos. De acordo com o Livro Branco “Desenvolvimento de Áreas de Alta Tecnologia Selecionadas” lançado pela Escola Superior de Economia em 2022, dois terços do total de investimentos foram feitos desde 2018. Em 2021, os dois primeiros “unicórnios quânticos” apareceram. A capitalização da startup americana IonQ é estimada em US$ 2 bilhões, a britânica Arqit em US$ 1,4 bilhão.

A Rússia ainda está atrasada em relação aos líderes mundiais (EUA, China e Alemanha), mas está fazendo grandes esforços financeiros, organizacionais e científicos e tecnológicos para minimizar a diferença. Em particular, a Rússia responde por mais de 4% dos trabalhos científicos, a Rússia está em 8º lugar no ranking de atividade de patentes de países no campo quântico. Além disso, dois serviços experimentais em nuvem de computação quântica foram lançados em 2021 – no Centro Quântico Russo e na Universidade Estadual de Moscou.

Em 2021, a Rosatom gastou mais de 6 bilhões de rublos no desenvolvimento de tecnologias quânticas e na criação da infraestrutura necessária para pesquisa. Esse dinheiro foi usado para comprar equipamentos e outros componentes necessários para equipar os laboratórios. No total, até 2024, mais de 23 bilhões de rublos de fundos orçamentários e não orçamentários serão alocados para a criação do computador quântico. Como resultado do trabalho até o final de 2024 deve haver um computador quântico universal com acesso à nuvem.