Chicago Quantum Exchange pode ajudar a revolucionar a computação, a medicina e a segurança cibernética

Flashes do que pode se tornar uma nova tecnologia transformadora estão percorrendo uma rede de fibras ópticas sob Chicago.

Pesquisadores criaram uma das maiores redes do mundo para compartilhar informações quânticas – um campo da ciência que depende de paradoxos tão estranhos que Albert Einstein não acreditou neles.

A rede, que conecta a Universidade de Chicago com o Argonne National Laboratory em Lemont, é uma versão rudimentar do que os cientistas esperam um dia se tornar a internet do futuro. Por enquanto, está aberto a empresas e pesquisadores para testar os fundamentos do compartilhamento de informações quânticas.

A rede foi anunciada esta semana pela Chicago Quantum Exchange – que também envolve o Fermi National Accelerator Laboratory, a Northwestern University, a University of Illinois e a University of Wisconsin.

Com um investimento federal de US$ 500 milhões nos últimos anos e US$ 200 milhões do estado, Chicago, Urbana-Champaign e Madison formam uma região líder em pesquisa de informações quânticas.

Por que isso importa para a pessoa média? Como a informação quântica tem o potencial de ajudar a resolver problemas atualmente insolúveis, ameaça e protege informações privadas e leva a avanços na agricultura, medicina e mudanças climáticas.

Enquanto a computação clássica usa bits de informação contendo 1 ou zero, bits quânticos ou qubits são como uma moeda lançada no ar – eles contêm 1 e zero, a serem determinados assim que forem observados.

Essa qualidade de estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo, chamada superposição, é um dos muitos paradoxos da mecânica quântica – como as partículas se comportam no nível atômico e subatômico. É também uma vantagem potencialmente crucial, porque pode lidar com problemas exponencialmente mais complexos.

Outro aspecto fundamental é a propriedade do emaranhamento, em que qubits separados por grandes distâncias ainda podem ser correlacionados, de modo que uma medição em um lugar revela uma medição distante.

A recém-expandida rede de Chicago, criada em colaboração com a Toshiba, distribui partículas de luz, chamadas fótons. Tentar interceptar os fótons os destrói e as informações que eles contêm – tornando muito mais difícil hackear.

A nova rede permite que os pesquisadores “ultrajem os limites do que é atualmente possível”, disse David Awschalom, professor da Universidade de Chicago, diretor do Chicago Quantum Exchange.

No entanto, os pesquisadores devem resolver muitos problemas práticos antes que a computação quântica e a rede em larga escala sejam possíveis.

Por exemplo, pesquisadores da Argonne estão trabalhando na criação de uma “fundição” onde qubits confiáveis ​​possam ser forjados. Um exemplo é uma membrana de diamante com bolsos minúsculos para armazenar e processar qubits de informação. Pesquisadores da Argonne também criaram um qubit congelando neon para armazenar um único elétron.

Como os fenômenos quânticos são extremamente sensíveis a qualquer distúrbio, eles também podem ser usados ​​como pequenos sensores para aplicações médicas ou outras – mas também precisam ser mais duráveis.

A rede quântica foi lançada em Argonne em 2020, mas agora se expandiu para Hyde Park e foi aberta para uso por empresas e pesquisadores para testar novos dispositivos de comunicação, protocolos de segurança e algoritmos. Qualquer empreendimento que dependa de informações seguras, como registros financeiros de registros médicos hospitalares de bancos, potencialmente usaria esse sistema.

Computadores quânticos, enquanto em desenvolvimento agora, podem algum dia realizar cálculos muito mais complexos do que os computadores atuais, como proteínas enoveladas, que podem ser úteis no desenvolvimento de medicamentos para tratar doenças como Alzheimer.

Além de impulsionar a pesquisa, o campo quântico está estimulando o desenvolvimento econômico da região. Uma empresa de hardware, EeroQ, anunciou em janeiro que está mudando sua sede para Chicago. Outra empresa de software local, a Super.tech, foi adquirida recentemente, e várias outras estão começando na região.

Como a computação quântica pode ser usada para invadir a criptografia tradicional, ela também atraiu a atenção bipartidária dos legisladores federais. A Lei Nacional da Iniciativa Quântica foi sancionada pelo presidente Donald Trump em 2018 para acelerar o desenvolvimento quântico para fins de segurança nacional.

Em maio, o presidente Joe Biden instruiu a agência federal a migrar para criptografia resistente a quântica em seus sistemas de defesa e inteligência mais críticos.

Ironicamente, problemas matemáticos básicos, como 5+5=10, são um pouco difíceis através da computação quântica. As informações quânticas provavelmente serão usadas para aplicativos de ponta, enquanto a computação clássica provavelmente continuará para ser prático para muitos usos diários.

O renomado físico Einstein zombou dos paradoxos e incertezas da mecânica quântica, dizendo que Deus não “joga dados” com o universo. Mas as teorias quânticas provaram ser corretas em aplicações de energia nuclear a ressonâncias magnéticas.

Stephen Gray, cientista sênior da Argonne, que trabalha em algoritmos para rodar em computadores quânticos, disse que o trabalho quântico é muito difícil e que ninguém o entende completamente.

Mas houve desenvolvimentos significativos no campo nos últimos 30 anos, levando ao que alguns cientistas chamaram de Quantum 2.0, com avanços práticos esperados na próxima década.

“Estamos apostando que nos próximos cinco a 10 anos haverá uma verdadeira vantagem quântica (sobre a computação clássica)”, disse Gray. “Ainda não chegamos lá. Alguns opositores balançam suas bengalas e dizem que isso nunca vai acontecer. Mas somos positivos.”

Assim como o trabalho inicial em computadores convencionais acabou levando aos telefones celulares, é difícil prever para onde a pesquisa quântica levará, disse Brian DeMarco, professor de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que trabalha com o Chicago Quantum Exchange.

“É por isso que é um momento emocionante”, disse ele. “As aplicações mais importantes ainda não foram descobertas.”

rmccoppin@chicagotribune.com

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