Breve introdução à computação quântica/Implementação de computadores quânticos

Dados os caminhos para potenciais aplicações para processamento de informações quânticas, como é possível executá-las em sistemas físicos reais? Na pequena escala de poucos qubits já existem inúmeras propostas de trabalho para dispositivos de processamento de informações quânticas.

Talvez a forma mais fácil de as concretizar seja baseada em técnicas ópticas, isto é, de radiação eletromagnética. Dispositivos simples como espelhos e beamsplitters podem ser usados para realizar manipulações elementares em fótons. Interessantemente, uma dificuldade maior tem sido produzir fótons separados sucessivamente; experimentalistas têm, ao invés disto, optado por usar esquemas que produzem fótons únicos "de vez em quando", randomicamente, e esperar até que tal evento ocorra. Criptografia quântica, codificação superdensa e teletransporte quântico foram todos realizados usando-se tais técnicas ópticas (ver ). Uma vantagem destas técnicas é que fótons tendem a ser portadores altamente estáveis de informação quântica mecânica. Uma desvantagem é que fótons não interagem diretamente uns com os outros. Em vês disto, a interação tem que ser mediada por outra coisa, como um átomo, o que introduz ruído adicional e complicações no experimento. Uma interação efetiva entre dois fótons é preparada, que essencialmente funciona em dois passos: o fóton número um interage com o átomo, que por sua vez interage com o segundo fóton, causando uma interação completa entre os dois fótons.

Um esquema alternativo é baseado em métodos que aprisionam diferentes tipos de átomos: existe a armadilha de íons (ion trap), em que um pequeno número de átomos carregados são aprisionados em um espaço confinado; e armadilhas de átomos neutros (neutral ion traps), para aprisionar átomos desprovidos de carga em um espaço confinado. Esquemas de processamento de informação quântica baseados em armadilhas de átomos usam os átomos para armazenar qubits. Radiação eletromagnética também aparece nestes esquemas (mas de uma forma diferente da qual foi referida na abordagem "óptica" do processamento de informação quântica). Nestes esquemas, fótons são usados para manipular a informação armazenada nos átomos, ao invés de um lugar para armazenar informação. Portas quânticas de um único qubit podem ser executadas aplicando-se pulsos apropriados de radiação eletromagnética a átomos individuais. átomos vizinhos podem interagir um com o outro via (por exemplo) forças de dipolo que permitem portas quânticas serem efetuadas. Ademais, a natureza exata da interação entre átomos vizinhos pode ser modificada aplicando-se pulsos apropriados de radiação eletromagnética sobre os átomos, dando ao experimentalista controle sobre quais portas são executadas no sistema. Finalmente, medição quântica pode ser efetuada nestes sistemas usando-se a técnica (há muito tempo estabelecida) de saltos quânticos (quantum jumps), que implementa com excelente acurácia as medições na base computacional utilizada na computação quântica.

Outra classe de esquemas de processamento de informação quântica é baseado na ressonância magnética nuclear (nuclear magnetic ressonance), muitas vezes conhecida pelas inicias da expressão inglesa, NMR. Estes esquemas armazenam informação quântica nos spins nucleares de átomos em moléculas, e manipulam esta informação usando radiação eletromagnética. Tais esquemas trazem dificuldades especiais, porque na NMR não é possível acessar diretamente núcleos individuais. Ao invés disto, um número enorme (em torno de $10^{5}$) de moléculas essencialmente idênticas são armazenadas em solução. Pulsos eletromagnéticos são aplicados na amostra, levando cada molécula a responder aproximadamente da mesma forma. Deve-se pensar em cada molécula como sendo um computador independente, e na amostra como contendo um número enorme de computadores trabalhando em paralelo (classicamente). O processamento de informação quântica por NMR enfrenta três dificuldades especiais que a torna diferente de outros esquemas de processamento de informação quântica. Primeiramente, as moléculas são preparadas deixando-as em equilíbrio em temperatura ambiente, que é tão maior que energias de giro de spin que os spins se tornam quase completamente orientados randomicamente. Este fato torna o estado inicial particularmente mais "ruidoso" que o desejável para processamento de informação quântica. Um segundo problema é que a classe de medições que podem ser usadas em NMR não abrange todas as medições mais gerais de que se gostaria de realizar em processamento de informação quântica. Todavia, para muitas instâncias de processamento de informação quântica a classe de medições permitida na NMR é suficiente. Em terceiro, pelo fato de moléculas não poderem ser individualmente endereçadas na NMR, é natural perguntar-se como qubits individuais podem ser manipulados de maneira apropriada. Felizmente, diferentes núcleos na molécula podem ter propriedades diferentes que os permitem ser individualmente endereçados – ou pelo menos ser endereçados em uma escala suficientemente granular para permitir as operações essenciais da computação quântica . Resultados muito prósperos já foram alcançados pelo IBM Almaden Research Center , onde uma máquina quântica de sete átomos e NRM, foi construído com sucesso e executou corretamente o algoritmo de Shor, fatorando o número 15. Esse computador utilizou cinco átomos de flúor e dois de carbono.