O objetivo é ambicioso: tornar tecnologias quânticas mais estáveis e fiáveis, mas, depois de cumprido, terá um grande impacto na sociedade – desde viabilizar processadores quânticos mais robustos baseados em chips fotónicos, a permitir a existência de redes de comunicação quânticas resistentes ao ruído ou a potenciar sensores quânticos de alta precisão. Avanços estes que podem refletir-se em diferentes áreas, como maior segurança nas comunicações e até instrumentação científica mais sensível.
O projeto onde tudo isto será desenvolvido chama-se QUANTHOS (Quantum Topological Integrated Photonics) e foi aprovado no Concurso de Projetos Exploratórios da Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT). Envolve duas áreas de investigação do Instituto – fotónica e computação de alto desempenho – e pretende, nas palavras de Ariel Guerreiro, investigador do INESC TEC que lidera o QUANTHOS, “pretende investigar se a fotónica topológica, já demonstrada em sistemas óticos clássicos, pode ser estendida a estados quânticos de luz (fotões únicos e pares emaranhados)”.
No fundo, os investigadores do INESC TEC vão olhar para o futuro da fotónica integrada. É que hoje os dispositivos que utilizam as propriedades quânticas são, normalmente, montados em cima de mesas óticas com arquiteturas de grandes dimensões e envolvendo componentes macroscópicos. O objetivo do QUANTHOS é desenvolver e demonstrar os conceitos e aplicações tecnológicas e miniaturizar dispositivos ótimos, tipicamente envolvendo ótica integrada em chips fotónicos.
Mas vamos por partes? Primeiro, o problema de fundo. A computação e as comunicações quânticas dependem de propriedades muito frágeis da luz, como a coerência quântica (isto é, e de forma muito simplificada, a capacidade de um estado quântico exibir propriedades quânticas) e o emaranhamento quântico (uma forma de coerência quântica partilhada entre várias partículas). Só que há um grande desafio nas tecnologias quânticas, é que estas propriedades perdem-se facilmente devido ao ruído ou a defeitos nos materiais e componentes óticos. A este fenómeno dá-se o nome de decoerência e é ele que faz travar muitos avanços nesta área.
“As fontes destas perturbações incluem ruído externo, imperfeições no fabrico do sistema, entre outros. Recentemente, descobriu-se que é possível proteger sistemas quânticos destas formas de ruído através daquilo que se chama “proteção topológica”. Esta proteção é conseguida manipulado certas propriedades geométricas do sistema que torna mais difícil alterar o estado quântico do sistema. Isto foi utilizado numa nova geração de qubits – os chamados qubits topológicos”, explica Ariel Guerreiro.
Como explicado anteriormente, a fotónica topológica já foi demonstrada em sistemas óticos clássicos, mostrando-se capaz de guiar a luz de forma robusta neste contexto. Mas o QUANTHOS pretende ir mais longe, uma vez que quer testar se esta proteção também funciona em estados de luz quântica, por exemplo, com fotões únicos ou pares de fotões emaranhados.
“A pergunta que motiva o projeto é: será que conseguimos fazer o mesmo com as propriedades quânticas da luz que se propagam num guia de onda, desde uma fibra ótica a um guia de onda em ótica integrada?”, acrescenta o investigador do INESC TEC.
Para tal, vai fazer uso de supercomputadores (como o Deucalion) para simulações muito complexas, desenvolver modelos avançados de transporte de luz quântica e criar um protótipo de guia de onda fotónico quântico otimizado.
“Queremos testar os limites da proteção topológica e desenvolver uma ferramenta de computação que possa auxiliar na otimização de sistemas fotónicos, especialmente em ótica integrada, e estender a sua aplicação na transmissão e processamento de informação quântica codificada no estado quântico da luz”, refere Ariel Guerreiro. O QUANTHOS vai ainda criar bases de simulação computacional (usando métodos de ponta como FEM, FDTD, funções de Green, etc.), essenciais para desenhar circuitos fotónicos quânticos do futuro.
Para além do desenvolvimento científico e tecnológico em causa, que irá ter impacto em diversas áreas da sociedade, como já referido anteriormente, há outro aspeto a destacar, que tem que ver com a aposta na formação de novos investigadores, que inclui novas contratações e também uma escola interna dedicada à fotónica topológica quântica.
Esta aposta do INESC TEC consolida assim a ligação entre a computação de alto desempenho (HPC) – com a utilização do supercomputador Deucalion -, e tecnologias quânticas em Portugal. É também mais uma demonstração da capacidade que o Instituto tem em juntar investigadores de diferentes geografias – neste caso Ariel Guerreiro, que investiga no polo do INESC TEC na Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP) e cujo principal tópico de investigação está relacionado com a fotónica, e André Martins Pereira, investigador do INESC TEC na área de computação avançada, cujo trabalho de investigação é desenvolvido no polo que a instituição tem na Universidade do Minho e que estará responsável pelos aspetos relacionados com a computação de alto desempenho.
“A utilização do supercomputador Deucalion permite-nos realizar simulações de enorme complexidade, garantindo a otimização e eficiência energética dos processos científicos com recursos humanos especializados, que seriam impossíveis de concretizar com recursos convencionais. Esta integração do HPC ao serviço da progressão de ciências quânticas acelera a investigação, obtendo mais resultados em menos tempo, potenciando resultados com impacto real na sociedade”, afirma André Martins Pereira.
“Depois de termos estas ferramentas, vamos fazer um estudo exploratório para verificar se existe ou não proteção topológica em sistemas muito simples. O objetivo de longo prazo é termos uma ferramenta que nos permita justificar projetos futuros e, idealmente, participar em equipas que se venham a candidatar-se aos fundos europeus que venham a ser lançados em chips quânticos. Um segundo objetivo estratégico é começar a desenvolver no INESC TEC um conjunto de competências em simulação física com HPC, que nos permitam explorar os recursos que temos no nosso ecossistema próximo”, acrescenta Ariel Guerreiro.
O QUANTHOS representa, assim, um passo decisivo para que Portugal esteja na linha da frente da ciência quântica, explorando soluções robustas que poderão transformar áreas como computação quântica, comunicações e ciência fundamental.
Os investigadores mencionados na notícia têm vínculo ao INESC TEC e à Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP) e à UMinho.
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