CBPF_News: Chips da IBM e Intel iniciam nova era na computação quântica

Artigo publicado originalmente no CBPF_News: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/dois-chips-quanticos-iniciam-nova-era-na-computacao-quantica

Ivan S. Oliveira, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), a pedido do Núcleo de Comunicação Social do CBPF, escreveu um comentário sobre dois recentes desdobramentos importantes para a área de computação quântica

A área da física conhecida como ‘processamento da informação quântica” ‒ que compreende o estudo e as aplicações de recursos do diminuto mundo atômico e subatômico em tarefas de computação, comunicação e metrologia ‒ iniciou-se formalmente no Brasil em 2002, com a criação do primeiro Instituto Milênio ‒ posteriormente, transformado em Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT).

Este autor faz parte desse instituto desde sua criação e acompanhou seu crescimento e indubitável sucesso na física brasileira. Laboratórios foram criados, novos (e velhos) grupos se estabeleceram, múltiplas colaborações surgiram e, mais importante, uma geração brilhante de jovens físicos foi formada dentro desse projeto. Hoje, artigos brasileiros produzidos no âmbito desse INCT abundam nos melhores periódicos e alcançam um número impressionante de citações.

Há 15 anos, pouca gente teria apostado (talvez, ninguém!) que a computação quântica se tornaria uma realidade comercial. Em 2009, publiquei, com um colega jornalista, A revolução dos q-bits (Zahar: Rio de Janeiro), na qual situamos, em meio a um cenário de fundo romanceado, a “primeira revolução quântica” na década de 2020.

Hoje (2018), o que está naquele livrinho despretensioso soa como profecia!

Dezenas sob controle

O grande desafio da computação quântica ‒ na qualidade de inovação tecnológica ‒ é o chamado ‘problema do escalonamento’: como aumentar o número dos bits quânticos (ou q-bits) de um sistema. Controlar dois ou três deles é relativamente simples, mas ninguém nunca conseguiu demonstrar o controle completo sobre dezenas.

Controlar N q-bits significa manipular coerentemente os 2N estados quânticos do sistema, bem como suas superposições ‒ vale lembrar que um bit clássico assume os valores ‘0’ ou ‘1’, enquanto um bit quântico tem a capacidade, por conta da superposição de estados, de ser ‘0’ e ‘1’ ao mesmo tempo.

O quadro mudou radicalmente no início do ano passado, quando a IBM anunciou que estava disponibilizando, na ‘nuvem’, um protótipo de computador quântico com cinco q-bits. Nada muito relevante, é verdade, mas usuários do mundo todo passaram a acessar remotamente esse processador. Também ano passado, a empresa havia disponibilizado um segundo processador ‒ desta vez, com 20 q-bits ‒ e prometido elevar essa quantidade para respeitáveis 50 q-bits. Essa última promessa foi cumprida ainda em novembro.

Sistema de refrigeração do chip de 50 q-bits da IBM

(Crédito: IBM)

Este ano, outra gigante do ramo, a Intel, anunciou seu chip quântico com 49 q-bits. E ainda estamos em janeiro!

A adição de um único q-bit em relação ao processador da Intel parece pouco, mas isso dobra a dimensão daquilo que, nessa área, denominamos ‘espaço de Hilbert’: 50 q-bits codificam 1015 estados quânticos [Em tempo: fica tentador fazer aqui o seguinte pedido a meus colegas de pesquisa: ‘Imaginem o tamanho da matriz densidade!’].

Brincadeiras técnicas à parte, não há dúvidas de que 2017 foi um marco da computação quântica e que, até o final deste ano, podemos esperar coisas muitíssimo interessantes na área de informação quântica.

Protótipo de chip quântico da Intel com 49 q-bits

(Crédito: Walden Kirsch/Intel Corporation)

Perguntas urgentes

O lado trágico desta história é que, mais uma vez, no Brasil, somos passivos espectadores de mais uma revolução cientifico-tecnológica ‒ porém, ávidos consumidores de tecnologia. É possível que, muito em breve, estejamos fazendo projetos para comprar ‘tempo de máquina’ em computadores quânticos de outros países ‒ e isso nos dará até certo ‘status’, bem como a ilusão de que somos ‘vanguarda’.

Precisamos, urgentemente, nos perguntar ‒ sem paixões, mas com franqueza e coragem para agir ‒ o seguinte: por que o mesmo sucesso que alcançamos com nossas publicações e citações não se repete no campo das aplicações tecnológicas? O que devemos fazer para romper com o paradigma do puro academicismo? Como agregar valor à nossa já excelente física?

Há muitas possíveis respostas para estas perguntas, e, nesse sentido, muita coisa pode (e deve) ser feita. Mas tem que ser sob uma condição: urgentemente!

Ivan S. Oliveira

Pesquisador titular,

CBPF

Mais informações:

Anúncio da Intel (em inglês): https://newsroom.intel.com/news/intel-advances-quantum-neuromorphic-computing-research/

Anúncio da IBM (em inglês): https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/53374.wss

Grupo Informação Quântica do CBPF: http://portal.cbpf.br/index.php/pt-br/grupos-de-pesquisa/coman/informacao-quantica

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CBPF_News: Teleporte completa 25 anos e continua a alimentar o futuro

Artigo originalmente publicado no CBPF_news: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/teleporte-completa-25-anos-e-continua-a-alimentar-o-futuro

Alexandre Martins de Souza, pesquisador adjunto do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), escreveu, a convite do Núcleo de Comunicação Social do CBPF, o comentário a seguir sobre os 25 anos de um dos fenômenos mais intrigantes da natureza.

A mecânica quântica, que lida com os fenômenos nas dimensões atômicas e subatômicas, é considerada uma das teorias mais bem-sucedidas da física. Com ela, foi possível criar diversas inovações tecnológicas, como o laser, os computadores modernos, os exames médios por ressonância magnética nuclear etc. Diversos dispositivos eletrônicos presentes em nosso dia a dia (por exemplo, um celular) nem mesmo poderiam existir sem as descobertas e aplicações da mecânica quântica.

Apesar de todo o sucesso, a mecânica quântica ainda intriga muitos físicos, e isto se deve a seu caráter extremamente não intuitivo. Não por menos, o físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955), cujos trabalhos foram de grande importância para o desenvolvimento dessa teoria, disse certa vez ‒ para expressar toda sua estranheza em relação aos desdobramentos desse ferramental teórico ‒ que a mecânica quântica parecia uma mistura de matemática com magia negra.

Este ano, a proposição teórica de um dos fenômenos mais intrigantes da mecânica quântica, o teleporte, completa seu 25º aniversário.

Embora o nome seja inspirado pelo ‘teletransporte’, o teleporte quântico é bem diferente dessa técnica fictícia, presente em filmes como Jornadas nas estrelas. Nesse seriado de TV, o objeto (em geral, pessoas) que devia ser teletransportado era inicialmente escaneado, e a informação obtida sobre ele era transmitida para outro ponto do espaço, onde o objeto era, então, reconstruído.

No entanto, tal procedimento não é possível de ser executado com base nas leis e nos princípios da mecânica quântica. Razão: não podemos conhecer o estado (basicamente, posição e velocidade) de cada partícula de que o objeto é composto. Isso acontece porque qualquer procedimento realizado para obter informação sobre uma partícula irá introduzir uma inevitável perturbação sobre ela – fato relacionado ao chamado princípio de incerteza, formulado pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), em 1927.

Teletransporte usado no seriado Jornada nas estrelas

(Crédito: Star Trek/Wikimedia Commons)

Fenômeno intrigante

O teleporte quântico ­– aquele ‘da vida real’ ‒ foi proposto teoricamente em 1993, por um time de cientistas liderados pelo físico norte-americano Charles Bennett, da empresa norte-americana IBM. E, nesse caso, não se trata de fazer um objeto sumir em um ponto e aparecer em outro, como nos filmes e seriados. Podemos entender o teleporte quântico como uma maneira inteiramente nova de transmitir informação. Vejamos.

Em sistemas clássicos de comunicação ‒ dos antigos telegramas às quase antiquadas cartas, passando pelos modernos e-mails e zapps ‒, a informação deve necessariamente ser transportada de um local a outro por algum meio. Por exemplo, quando digitamos uma mensagem no celular, toda a informação contida nela é codificada em ondas eletromagnéticas que são transmitidas pelo espaço até o destinatário.

No entanto, com o teleporte quântico, não há necessidade de um meio para carregar a informação e nem é preciso conhecer a informação que se quer transmitir. Isso só é possível por causa de um dos fenômenos mais intrigantes da mecânica quântica: o emaranhamento quântico.

O emaranhamento ocorre quando duas partículas são criadas ou postas a interagir de tal maneira que elas não possam mais ser descritas como dois objetos independentes. Nessa situação, os físicos dizem que não é possível definir um estado quântico para cada partícula individualmente ‒ só se pode definir o estado das duas partículas como um todo, mesmo que elas estejam separadas por longas distâncias.

Essa correlação entre partículas emaranhadas ‒ a qual é de natureza puramente quântica e que persiste, apesar da distância ‒ é o ingrediente fundamental pelo qual os físicos, hoje, podem transmitir a informação contida em uma partícula para outra, idêntica ‒ e remotamente separada da primeira ‒, sem a necessidade de transportar a partícula original e sem sequer conhecer a informação contida nela.

Primeira demonstração

A primeira demonstração em laboratório do teleporte quântico foi feita em 1997 por físicos na Universidade de Innsbruck (Áustria). Desde então, o teleporte tem sido explorado por diversos grupos de cientistas em laboratórios espalhados pelo do mundo – inclusive, no Brasil. Até agora, o recorde de distância para o teleporte quântico na Terra é de 143 km, para um experimento feito entre duas das Ilhas Canárias (La Palma e Tenerife), na Espanha, em 2012.

Configuração experimental típica para a obtenção do teleporte

(Crédito: Centre for Quantum Photonics/University of Bristol)

Ano passado, cientistas chineses teleportaram o estado quântica de um fóton (partícula de luz) localizado na estação terrestre – em Ngari, a uma altitude de 5.047 m, nas montanhas tibetanas –, para outro fóton, no satélite Micius, a uma distância 1,4 mil km do solo.

Hoje, podemos dizer que o teleporte quântico não é mais uma curiosidade, mas, sim, uma realidade. É de se esperar também que, em um futuro não muito longínquo, o teleporte quântico se torne um ingrediente fundamental em nosso cotidiano, possibilitando que os computadores quânticos – que, neste momento, ganham ares de que vão se tornar comerciais – possam se comunicar entre si, no que seria uma internet quântica.

Alexandre Martins de Souza

Pesquisador adjunto

CBPF

Mais informações:

Chips quânticos:http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/dois-chips-quanticos-iniciam-nova-era-na-computacao-quantica

Grupo Informação Quântica do CBPF: http://portal.cbpf.br/index.php/pt-br/grupos-de-pesquisa/coman/informacao-quantica

Artigo recente na PRL: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.030501?utm_source=email&utm_medium=email&utm_campaign=prl-alert

PRL comentário (em inglês): https://physics.aps.org/articles/v11/7

QM Talks@CBPF: Jean-Pierre Gazeau — 20.12, 16h00

The year is getting to the end, but we are still full power! To finish the 2017 series of QM Talks@CBPF we have pleasure to receive Jean-Pierre Gazeau.
Prof. Gazeau is a emeritus professor from Université Paris Diderot, and a visiting professor at CBPF. Jean-Pierre has many contributions to theoretical physics, most specially to the theory of quantum mechanics, both in applied and fundamental aspects — some of his contributions can be found in his book Coherent States in Quantum Physics, or in his long list of publications. In this talk he will focus on some foundational aspects of quantum mechanics. Check out the details of the talk below, and see you there!

Title: Orientations in the plane as quantum states

Speaker: Jean-Pierre Gazeau (Diderot/CBPF)

Coordinates: room 601C, CBPF. 20.12, 16h00

Abstract: I will introduce and to discuss some of the most basic fundamental concepts of quantum physics by using orientations or angles in the plane, illustrated through linear polarizations. Starting with the Euclidean plane, which is certainly a paradigmatic example of a Hilbert space, orientations in it are identified with the pure states. Associating these quantum orientations with linear polarizations of light in the plane normal to its propagation constitutes the most appealing physical example of the presented formalism. The pure states form the unit circle (actually a half of it) and the mixed states form the unit disk (actually a half of it). Rotations in the plane rule time evolution through Majorana-like equations involving only real quantities for closed and open systems. Interesting probabilistic aspects are developed. Since the tensor product of two planes, their direct sum, and their cartesian product, are isomorphic (2 is the unique solution to x^x= x X x = x+x), and they are also isomorphic to C^2, and to the quaternion field H (as a vector space), I will describe an interesting relation between entanglement of real states, one-half spin cat states, and unit-norm quaternions which form the group SU(2). Finally, I will present an example of quantum measurement with pointer states lying also in the Euclidean plane.

New article: Quantum Algorithm for Simulating the Wave Equation

Title: Quantum Algorithm for Simulating the Wave Equation

Authors: Pedro C.S. Costa (CBPF), Stephen Jordan (NIST/Maryland), Aaron Ostrander (Maryland)

Link: https://scirate.com/arxiv/1711.05394

Abstract: We present a quantum algorithm for simulating the wave equation under Dirichlet and Neumann boundary conditions. The algorithm uses Hamiltonian simulation and quantum linear system algorithms as subroutines. It relies on factorizations of discretized Laplacian operators to allow for improved scaling in truncation errors and improved scaling for state preparation relative to general purpose linear differential equation algorithms. We also consider using Hamiltonian simulation for Klein-Gordon equations and Maxwell’s equations.

New article: Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations

Title: Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations

Authors: Kaonan Micadei, John P. S. Peterson, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Gabriel T. Landi, Tiago B. Batalhão, Roberto M. Serra, Eric Lutz

Link: https://arxiv.org/abs/1711.03323

Abstract: The second law permits the prediction of the direction of natural processes, thus defining a thermodynamic arrow of time. However, standard thermodynamics presupposes the absence of initial correlations between interacting systems. We here experimentally demonstrate the reversal of the arrow of time for two initially quantum correlated spins-1/2, prepared in local thermal states at different temperatures, employing a Nuclear Magnetic Resonance setup. We observe a spontaneous heat flow from the cold to the hot system. This process is enabled by a trade off between correlations and entropy that we quantify with information-theoretical quantities.

QM Talks@CBPF: Alexandre B. Tacla — 13.11, 16h00

Our next talk in the series QM Talks@CBPF will be delivered by Alexandre B. Tacla (Glasgow). Alexandre has many interests, and a broad knowledge. In this talk he will tell us about his recent results on how to deal with complex many-body systems in an efficient way.

Note that this week, due to the holiday celebrating the Proclamation of the Republic in Brazil on Wednesday, the talk will be on Monday. See the full info below, and be sure to not miss this talk!

Title: Particle-correlated states: A non-perturbative treatment beyond mean field

Speaker: Alexandre B. Tacla (Glasgow)

Coordinates: room 601C, CBPF. 13.11 (Monday), 16h00

Abstract: Many useful properties of dilute Bose gases at ultralow temperatures are predicted precisely by the (mean-field) product-state Ansatz, in which all particles are in the same single-particle state. However, in situations where particle-particle correlations become important, this technique fails and more sophisticated methods are required. In this talk, I will introduce a new set of states that include quantum correlations nonperturbatively: The particle-correlated state (PCS) of N = l × n particles is derived by symmetrizing the n-fold product of an l-particle quantum state. Quantum correlations of the l-particle state “spread out” to any subset of the N bosons by symmetrization. Specifically, I will present the PCS theory for the ground-state of bosonic systems constructed from a two-particle pure state (l=2) [Phys. Rev. A 96, 023621 (2017)]. In particular, I will show (i) how to simulate PCS efficiently for large systems and (ii) how to calculate analytically the reduced density matrices (correlation functions) directly from the PCS normalization factor. Lastly, I will discuss the efficacy of PCS when applied to the two-site Bose-Hubbard model. The key result is that the PCS Ansatz can faithfully represent the exact ground-state over the entire parameter region from a superfluid to a Mott insulator.

QM Talks@CBPF: Marcelo F. Santos — 08.11, 16h00

This week we have the pleasure to receive Marcelo F. Santos (UFRJ) as a speaker in our series QM Talks@CBPF. Marcelo and co-authors have recently put in the arXiv an intriguing paper: Photonic Counterparts of Cooper Pairs. This article, already accepted for publication in Physical Review Letters, attracted quite some attention (see here the Nature News feature on the article) for proposing that photons can interact inside a medium in a way very similar to that of electrons in a superconducting material, forming the so-called Cooper pairs. Got interested?! Then do not miss Marcelo’s talk. The info follows:

Title: Photonic Cooper pairs

Speaker: Marcelo F. Santos (UFRJ)

Coordinates: room 601C, CBPF. 08.11, 16h00

Abstract: Photons are the elementary particles of light. Contrary to most particles, photons do not interact directly with each other in vacuum. However, when propagating in a material, e.g. water, photon pairs may interact through the medium. In the Raman effect, for example, it is possible that a photon creates or absorbs a vibrational excitation of the material. In this work, we demonstrate theoretically and experimentally that photon pairs may interact via a virtual vibration, meaning that the energy exchanged in the process does not correspond to a quantum of vibrational energy. The same process occurs in a metal at very low temperatures, where virtual vibrations of the medium create an effective attractive interaction between electrons, forming the so-called Cooper pairs. This phenomenon changes a normal metal into a superconductor – a zero-resistance state. We have shown theoretically and experimentally the analogue of this phenomenon with light, namely an effective photon-photon interaction mediated by a virtual vibration, i.e, a photonic Cooper pair. An important next step is to test how far the analogy with superconductivity extends.