Eliminado um dos grandes obstáculos para computadores quânticos realistas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2024

O diagrama à esquerda ilustra como a equipe liga e desliga diferentes operações enviando pulsos de micro-ondas (seta ondulada) para o sistema de controle embutido no oscilador, o que permite gerar o chamado estado de fase cúbica, que é um recurso quântico para correção de erros. As áreas azuis à direita são as chamadas "regiões negativas de Wigner", uma assinatura clara das propriedades quânticas do estado.
[Imagem: Timo Hillmann/Chalmers University of Technology]

Velocidade versus erro

O potencial dos computadores quânticos está atualmente em uma encruzilhada: As arquiteturas que conseguem realizar operações complexas são menos tolerantes a erros e ruídos, enquanto os sistemas mais protegidos contra ruídos são mais difíceis de lidar e mais lentos.

Mas esse dilema não deverá durar muito tempo, graças ao trabalho de Axel Eriksson e colegas da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, que criaram um sistema que vabiliza tempos de computação mais longos nas arquiteturas quânticas mais robustas.

A nova arquitetura é baseada na chamada "computação quântica continuamente variável", que utiliza osciladores harmônicos, uma espécie de componente microscópico, para codificar as informações de forma linear.

Os osciladores desenvolvidas pela equipe consistem em tiras finas de material supercondutor criadas sobre um substrato isolante, formando ressonadores de micro-ondas, uma tecnologia totalmente compatível com os computadores quânticos que usam qubits supercondutores - é o tipo mais usado hoje.

O método foge do princípio de dois estados quânticos nos qubits, oferecendo um número muito maior de estados quânticos físicos, tornando assim os computadores quânticos significativamente mais bem equipados contra erros e ruídos.

"Pense em um qubit como uma lâmpada azul que, quântica-mecanicamente pode estar ligada e desligada simultaneamente. Em contraste, um sistema quântico continuamente variável é como um arco-íris infinito, oferecendo um gradiente contínuo de cores. Isso ilustra sua capacidade de acessar um vasto número de estados, proporcionando possibilidades muito mais ricas do que os dois estados do qubit," explicou Eriksson.

O circuito é simples, mas quando é necessário lidar com os frágeis estados quânticos, mesmo a posição dos componentes faz diferença.
[Imagem: Axel M. Eriksson et al. - 10.1038/s41467-024-46507-1]

Controlando tudo de dentro

Embora a computação quântica continuamente variável baseada em osciladores harmônicos permita uma melhor correção de erros, sua natureza linear não permite a realização de operações complexas. Já haviam sido feitas tentativas de combinar osciladores harmônicos com sistemas de controle, como sistemas quânticos supercondutores, mas não deu muito certo devido a um fenômeno conhecido como efeito Kerr, uma agitação induzida nas partículas que embaralha os muitos estados quânticos oferecidos pelo oscilador, cancelando o efeito desejado.

A equipe resolveu isto colocando um dispositivo de controle dentro do oscilador, tanto contornando o efeito Kerr quando eliminando o problema da compensação entre correção e velocidade dos cálculos. O sistema apresenta uma solução que preserva as vantagens dos osciladores harmônicos, como um caminho eficiente em termos de recursos para a tolerância a falhas, ao mesmo tempo que permite o controle preciso dos estados quânticos em alta velocidade, o que efetivamente abre caminho para computadores quânticos mais robustos.

"Nossa comunidade tentou muitas vezes manter os elementos supercondutores longe dos osciladores quânticos, para não embaralhar os frágeis estados quânticos. Neste trabalho, desafiamos esse paradigma. Ao incorporar um dispositivo de controle no coração do oscilador, fomos capazes de evitar embaralhar os muitos estados quânticos e, ao mesmo tempo, sermos capazes de controlá-los e manipulá-los. Como resultado, demonstramos um novo conjunto de operações de porta realizadas em velocidade muito alta," disse o professor Simone Gasparinetti.

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