A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons

Na corrida para construir máquinas que possam resolver problemas impossíveis para os supercomputadores de hoje, os cientistas há muito recorrem à luz. Em vez de usar eletricidade para se mover através de chips de silício como os computadores tradicionais, estas novas máquinas utilizam fluxos de fotões, ou partículas de luz, para transportar informação. Uma das formas mais promissoras de o fazer chama-se amostragem de bósons gaussianos. Imagine um labirinto complexo onde partículas de luz entram numa extremidade e ricocheteiam em espelhos e se dividem através de caminhos antes de saírem. Como as partículas de luz se comportam de formas quânticas estranhas, elas podem percorrer muitos caminhos ao mesmo tempo, criando um padrão de saídas que é incrivelmente difícil de prever ou calcular. Embora isto pareça um simples jogo de azar, o enorme número de resultados possíveis cresce tão rapidamente que até os supercomputadores mais poderosos do mundo levariam milhares de anos para descobrir o resultado. Esta dificuldade é o que os investigadores chamam de "vantagem quântica", um marco que prova que uma máquina ultrapassou os limites da computação clássica. No entanto, construir estas máquinas baseadas em luz tem sido uma luta. Tentativas anteriores dependiam de mesas volumosas cheias de espelhos e lentes separados que tinham de ser alinhados à mão com extrema precisão. Estas configurações eram frágeis, instáveis e difíceis de escalar, tornando difícil a transição de uma curiosidade de laboratório para uma ferramenta prática.

Uma equipa de investigadores superou agora estes obstáculos ao encolher todo o sistema para um único chip, criando um dispositivo que pode lidar com um número massivo de partículas de luz numa fração de segundo. Publicado num novo estudo, este trabalho descreve o primeiro sistema de escala de chip que utiliza um truque inteligente chamado multiplexação espaço-temporal para misturar luz tanto no espaço como no tempo. Em vez de precisar de uma enorme sala física cheia de equipamento, os investigadores construíram uma rede de minúsculos caminhos, espelhos e interruptores diretamente numa fina fatia de niobato de lítio, um cristal especial conhecido pela sua capacidade de manipular a luz a altas velocidades. Este chip atua como uma fábrica de luz, onde pulsos são enviados através de loops e divididos por diferentes camros, tudo controlado por sinais elétricos que ligam e desligam biliões de vezes por segundo. O resultado é uma máquina que não é apenas estável e compacta, mas também capaz de gerar e detetar mais de dez mil partículas de luz num único milissegundo. Esta escala está muito além do que qualquer sistema baseado em chip anteriormente alcançado, expandindo as fronteiras do que é possível com a computação baseada em luz.

Os investigadores, liderados por uma equipa da Universidade Jiao Tong de Xangai e da TuringQ, passaram anos a aperfeiçoar o processo de fabrico para garantir que o chip fosse impecável. Construíram uma linha de produção dedicada para criar estes dispositivos em grandes wafers, refinando cuidadosamente cada etapa para minimizar a perda de luz à medida que esta viaja através dos minúsculos circuitos. O dispositivo final opera a uma velocidade de relógio de 4 gigahertz, o que significa que processa dados quatro biliões de vezes por segundo. Para testar as suas capacidades, injetaram luz comprimida (squeezed light), um estado especial onde as partículas de luz são preparadas de uma forma que maximiza o seu comportamento quântico, no chip. A luz viaja então através de uma rede complexa de interferómetros, que são dispositivos que dividem e recombinam ondas de luz, e loops de atraso que retêm a luz por uma fração minúscula de segundo. Quando a luz chega aos detetores no final, o sistema gerou um número massivo de eventos de deteção, sendo que a maior amostra individual continha 11.059 fotões. Este número é significativo porque é tão grande que simular o resultado num computador clássico seria praticamente impossível, confirmando que a máquina atingiu de facto um nível de complexidade que desafia o cálculo tradicional.

Para provar que a máquina estava realmente a funcionar como um dispositivo quântico e não apenas a imitar os resultados com um truque clássico mais simples, a equipa realizou verificações rigorosas. Eles compararam os padrões de luz detetados pela sua máquina com o que a teoria previa para um sistema quântico verdadeiro, bem como com o que aconteceria se a luz fosse apenas calor comum ou um laser padrão. Os resultados coincidiram quase perfeitamente com as previsões quânticas, enquanto as outras possibilidades foram claramente descartadas. Também utilizaram métodos estatísticos para mostrar que os dados gerados pela máquina provinham genuinamente do processo quântico complexo que desenharam, e não de um modelo falso ou simplificado. Estes testes confirmaram que o sistema estava a produzir os estados quânticos corretos e altamente complexos, validando o feito de engenharia de integrar moduladores de alta velocidade, linhas de atraso e redes de deteção, tudo num único chip minúsculo.

Para além de simplesmente provar que a máquina funciona, os investigadores mostraram que esta tecnologia poderia ser útil para mais do que apenas cálculos abstratos. Reconfiguraram o mesmo chip para atuar como um "modelo de mundo", um tipo de sistema de inteligência artificial que aprende a prever como os sistemas físicos mudam ao longo do tempo. Escolheram um problema clássico de física: os padrões de turbulência criados quando o vento sopra ao redor de um cilindro, conhecidos como rua de vórtices de von Kármán. O chip foi programado para tirar fotografias deste campo de pressão, memorizar o histórico do fluxo usando os seus loops de luz internos e, em seguida, prever como a pressão seria num momento posterior. Quando comparado com um programa de computador padrão para a mesma tarefa, o sistema baseado em luz fez previsões mais precisas utilizando muito menos parâmetros ajustáveis para aprender o padrão. Isto sugere que a forma única como a luz se mistura e memoriza informação no chip pode oferecer uma nova e poderosa forma de resolver problemas complexos em física e engenharia, movendo a tecnologia de uma demonstração de velocidade para uma ferramenta de descoberta para o mundo real.

O sucesso deste projeto marca um ponto de viragem para o campo da computação quântica fotónica. Durante anos, o desafio foi construir sistemas que não fossem apenas suficientemente grandes para mostrar vantagem quântica, mas também estáveis e programáveis o suficiente para serem úteis. Ao integrar tudo num único chip e utilizar um processo de fabrico que pode ser escalado, os investigadores demonstraram que estas máquinas podem ser construídas com a fiabilidade e flexibilidade necessárias para aplicações futuras. A capacidade de controlar a luz a velocidades tão altas e com tal precisão abre as portas para uma nova geração de dispositivos que poderão abordar problemas em ciência dos materiais, modelação climática e inteligência artificial. À medida que a tecnologia continua a amadurecer, com planos para integrar ainda mais componentes, como fontes de luz e detetores, diretamente no chip, a visão de um computador quântico versátil e programável construído sobre uma única peça de silício está a tornar-se uma realidade tangível.