Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Este artigo relata o benchmarking experimental do Zeus-256, um processador quântico de diamante NV de 256 qubits à temperatura ambiente que utiliza um novo barramento quântico biomolecular opticamente programável, o qual executou com sucesso algoritmos complexos, incluindo o algoritmo de Shor para inteiros de 84 bits e protocolos de emaranhamento de alta fidelidade, embora ainda não demonstre vantagem quântica.
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A computação quântica promete resolver problemas que são atualmente impossíveis até mesmo para os supercomputadores mais poderosos, mas construir uma máquina capaz de fazer isso é incrivelmente difícil. O desafio central reside em manter a informação quântica delicada estável. Em muitos sistemas, as minúsculas partículas usadas para armazenar dados, chamadas qubits, perdem suas propriedades especiais quase instantaneamente se ficarem muito quentes ou interagirem com seu ambiente. Isso geralmente força os cientistas a resfriar suas máquinas para temperaturas próximas ao zero absoluto, exigindo sistemas de refrigeração massivos e complexos. Outro obstáculo é conectar esses qubits. Para realizar um cálculo, os qubits devem conversar entre si, mas em muitos designs, eles podem se comunicar apenas com seus vizinhos imediatos. Para levar a informação de um lado do chip ao outro, o computador tem que passar os dados ao longo de uma longa cadeia de vizinhos, o que retarda tudo e introduz erros. A questão que os pesquisadores têm perguntado é se é possível construir um computador quântico grande e útil que funcione à temperatura ambiente e possa conectar qualquer parte de seu cérebro a qualquer outra parte sem essas cadeias lentas e propensas a erros.
Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora um novo tipo de processador quântico que opera à temperatura ambiente e utiliza um material biológico único para resolver o problema de conexão. Eles construíram um dispositivo chamado Zeus-256, que contém 256 unidades de processamento ativas, ou qubits lógicos, dispostas em uma grade. Diferente de outros sistemas que podem reutilizar um pequeno número de qubits ao longo do tempo para simular uma máquina maior, cada uma dessas 256 unidades está ativa e trabalhando simultaneamente. O processador é construído sobre um pequeno cristal de diamante contendo centros de nitrogênio-vacância, que são minúsculos defeitos na estrutura do diamante que atuam como os qubits. Esses defeitos são controlados usando micro-ondas e ondas de rádio, enquanto seu estado é lido usando luz. A inovação mais significativa, no entanto, é como os qubits conversam entre si. Em vez de depender de fios físicos ou de mover os qubits, os pesquisadores colocaram uma camada especial de material à base de proteínas sobre o diamante. Esta camada atua como uma ponte programável, ou "ônibus quântico", que pode ser sintonizada com luz para conectar quaisquer dois qubits, mesmo aqueles distantes no chip. Isso permite que o computador realize operações complexas sem os atrasos usuais causados pela distância.
Os pesquisadores testaram esta máquina executando uma ampla variedade de algoritmos quânticos padrão para ver como ela se comportava. Eles executaram com sucesso circuitos projetados para criar estados emaranhados complexos, buscar padrões específicos e realizar cálculos matemáticos. Um dos testes mais impressionantes envolveu um famoso algoritmo para encontrar os fatores de números grandes, uma tarefa que é central para a criptografia moderna. A equipe executou este algoritmo em 11 números diferentes, variando de inteiros de 8 bits até um enorme número de 84 bits. Para o maior número, que exigiu que todos os 256 qubits trabalhassem juntos, a máquina registrou uma flag de "recuperação de fator" para a instância após 10 tentativas. No entanto, o estudo não divulga os divisores específicos encontrados, a contagem de sucessos para cada tentativa individual ou a probabilidade de sucesso por tentativa. Todo o processo para este cálculo difícil levou pouco mais de meio segundo. Em outro teste, a máquina criou um tipo específico de estado altamente emaranhado envolvendo todos os 256 qubits de uma só vez. Quando mediram a qualidade deste estado, descobriram que ele correspondia ao alvo teórico ideal com uma fidelidade de quase 99,9 por cento, indicando que a informação quântica permaneceu notavelmente estável apesar do ambiente de temperatura ambiente.
O estudo também mediu quanto tempo a máquina levou para completar essas tarefas. Os pesquisadores descobriram que o tempo necessário para executar um programa dependia muito mais da complexidade das instruções e da estrutura específica do cálculo do que do mero número de qubits utilizados. Por exemplo, alguns cálculos usando menos qubits levaram muito mais tempo do que outros usando mais qubits, simplesmente porque as instruções eram mais intrincadas. Isso sugere que a velocidade do processador é determinada por como o software é traduzido nos pulsos físicos que controlam o diamante, em vez de apenas pelo tamanho do registro. A equipe também verificou se a máquina estava realmente se comportando de uma forma quântica ao medir as correlações entre pares de qubits. Os resultados mostraram um nível de conexão que é impossível de alcançar com a física clássica, confirmando que o dispositivo estava operando como um sistema quântico genuíno.
Embora a máquina seja um passo significativo à frente, os pesquisadores são cuidadosos ao notar o que ela alcançou e o que não alcançou. Eles afirmam explicitamente que este trabalho ainda não prova que a máquina pode resolver problemas mais rapidamente do que os melhores computadores clássicos, um marco conhecido como vantagem quântica. Os dados de tempo fornecidos são uma medida da velocidade de execução interna do processador e não incluem o tempo necessário para o computador traduzir o código do usuário ou para a luz ser coletada e analisada. O dispositivo de 256 qubits é a versão mais larga que eles construíram e testaram até agora. Eles descrevem um objetivo de engenharia futuro de escalar este mesmo design para quase 10.000 qubits, mas esclarecem que esta versão maior ainda não foi construída. O sucesso atual depende de um material biológico proprietário que atua como a camada de conexão, cuja composição química exata não é divulgada. No entanto, o fato de uma máquina usando esta abordagem poder coordenar 256 qubits à temperatura ambiente e realizar interações complexas de longo alcance sugere um caminho viável para computadores quânticos maiores e mais práticos que não exijam resfriamento extremo. O trabalho demonstra que a combinação de qubits baseados em diamante, memória de spin nuclear e uma ponte biológica controlada por luz pode criar um processador quântico funcional à temperatura ambiente, capaz de lidar com tarefas computacionais substanciais.
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