Teoria foi testada em chip fotônico criado na Itália e poderá colaborar para o desenvolvimento da computação quântica, da metrologia e da criptografia
Há diversos caminhos em busca do desenvolvimento da computação quântica, como a utilização de armadilha de íons ou chips supercondutores usados em baixas temperaturas. Uma das mais promissoras é a fotônica quântica, chips que aproveitam as qualidades quânticas da luz e que podem operar em temperatura ambiente.
Ernesto Fagundes Galvão, professor licenciado da Universidade Federal Fluminense (UFF) que está há cinco anos no Instituto Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL), em Braga, Portugal, desenvolveu com sua equipe uma metodologia de certificação desse chip. A teoria se comprovou na prática com um chip especial de seis entradas de luz que foi feito pela equipe liderada pelo professor Roberto Osellame, do Politecnico di Milano, e testado pela Universidade Sapienza de Roma.
Os resultados da pesquisa foram publicados dia 3 de novembro de 2023 no artigo “Experimental certification of contextuality, coherence, and dimension in a programmable universal photonic processor” na revista Science Advances. Entre os co-autores do artigo estão os alunos de doutorado do INL orientados por Galvão: Anita Camillini e Rafael Wagner, que também é brasileiro. “Essa é uma colaboração de muitos anos. E a gente conversou com os nossos colegas, a gente motivou os experimentos, a gente analisou o que era possível fazer, a gente provou que o teste funcionava”, explica Galvão, coordenador europeu do projeto Foundations of Quantum Computational Advantage, cooperação internacional que inclui pesquisadores da Itália e do Canadá responsáveis por esse pesquisa.
Segundo Galvão, essa é uma metodologia capaz de certificar duas coisas muito importantes para comprovar o funcionamento quântico de um chip de luz. Em primeiro lugar, a coerência, que é a capacidade de um único fóton estar presente em diferentes lugares ao mesmo tempo, que é o fenômeno da superposição. A pesquisa mostrou que, a partir do momento em que um único fóton esteja superposto em um número mínimo de guias de onda, a metodologia é confiável.
Em segundo lugar, o teste mede a chamada contextualidade, que tem relação com o prêmio Nobel de Física de 2022 concedido aos cientistas Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger. Eles mostraram forte entrelaçamento quântico em fótons criados em um cristal direcionados a dois laboratórios distantes nos anos 1960, algo também chamado pelos físicos de não-localidade quântica. No experimento em questão, trata-se da capacidade de se usar um detector de imageamento da luz que seja percebido sem que faça um “clique”.
“A contextualidade é prima da não-localidade, ela não é medida entre dois laboratórios, mas sim no que acontece quando você tem um sistema quântico só. E um computador quântico é um sistema quântico único, ele não está dividido em pedaços. Então a gente consegue testar essa propriedade de contextualidade quântica dentro do nosso chip fotônico e a gente conseguiu mostrar, de um jeito bem rigoroso, matematicamente, que tem como você fazer um protocolo de medição de imagem para detectar se tem um detetor ou não ali dentro do chip. E a gente consegue um desempenho melhor, que não seria possível se não usasse esse protocolo”, explica Galvão.
Os computadores quânticos hoje ainda não conseguem realizar operações que possam ser úteis aos afazeres cotidianos da humanidade. Mas, com essa nova metodologia desenvolvida nesta pesquisa, será possível verificar a coerência e a contextualidade de chips fotônicos bem maiores que o utilizado nessa pesquisa, o que poderá contribuir de maneira significativa com a evolução da computação quântica, na metrologia e na criptografia.
“A metodologia que a gente inventou vai ser aplicável quando o chip for bem maior. E, na verdade, é um jeito de você verificar que ele está funcionando de acordo. E que você não está perdendo alguma coisa por alguma falha no processo de construção. Então, esses testes são uma coisa essencial. Você fazer o teste para garantir que ele tem as propriedades que precisa para poder fazer uma coisa útil é o desenvolvimento de uma metodologia que vai ajudar a verificar os computadores quânticos à medida que eles crescerem.”
(Colaborou Roger Marzochi)