Entrelaçamento de 3 qubits deixa computação quântica mais próxima

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/10/2010

A equipe da Universidade de Yale usou qubits supercondutores, chamados transmons, feitos de dois pequenos pedaços de material supercondutor unidos por junções túnel.
[Imagem: DiCalor et al./Nature]

Duas equipes norte-americanas, trabalhando de forma independente, conseguiram pela primeira vez entrelaçar três bits quânticos, ou qubits.

Três é o número mínimo necessário para implementar a correção de erros na computação e na criptografia quânticas, com todas as suas promessas de alto poder computacional, baixo consumo de energia e segurança.

Qubits supercondutores

Embora outras equipes já tivessem entrelaçados outros tipos de qubits - até 10 qubits de fótons, por exemplo - ninguém até hoje havia conseguido entrelaçar mais do que 2 qubits supercondutores.

Qubits supercondutores são dispositivos de estado sólido, muito mais robustos do que os aparatos exigidos por outros tipos de qubits. Isso significa que é mais fácil construir circuitos lógicos com eles.

O entrelaçamento quântico é um fenômeno no qual duas ou mais "partículas" em escala atômica tornam-se indissociáveis, de modo que a medição de certas propriedades de uma revela informações sobre a outra, mesmo se elas estiverem separadas por milhares de quilômetros.

"O entrelaçamento quântico entre três objetos já havia sido demonstrado antes com fótons e partículas carregadas," explica Steven Girvin, membro da equipe da Universidade de Yale. "Mas este é o primeiro dispositivo de estado sólido de três qubits, que se parece e se comporta com um microprocessador convencional."

Martinis trabalha no laboratório do professor Robert Schoelkopf, onde foi criado o primeiro processador quântico de estado sólido, em 2009. Outros feitos da equipe no campo da computação quântica incluem a transmissão e a recepção de informações quânticas e a interligação entre átomos artificiais usando micro-ondas.

O novo resultado baseia-se no processador quântico de estado sólido, desenvolvido em 2009.

Transmons

A equipe usou qubits supercondutores, chamados transmons - ou transmônios -, feitos de dois pequenos pedaços de material supercondutor unidos por junções túnel.

Os supercondutores contêm inúmeros pares de Cooper, duplas de elétrons que caminham pelo material sem qualquer resistência. O estado 0 ou 1 do qubit é definido pela quantidade de pares de Cooper existente em cada fatia de supercondutor.

Mas as estranhas leis da mecânica quântica permitem que os qubits sejam colocados em uma superposição desses dois estados ao mesmo tempo, o que resulta no armazenamento de uma quantidade muito maior de informações e de maior poder de processamento.

A equipe foi capaz de atingir um estado entrelaçado colocando três qubits em uma superposição de duas possibilidades, quando todos os três estavam ou no seu estado 0 ou no estado 1 - um estado chamado Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).

O resultado alcançou uma fidelidade de 88%. Isto é essencial para a correção de erros na computação quântica.

Como os qubits são muito sensíveis, um único raio cósmico que atinja um deles pode destruir o dado. Replicando os qubits, o computador pode confirmar se todos os três estão no mesmo estado - algo que não faz sentido quando há apenas dois deles, uma vez que qualquer um dos resultados teria o mesmo peso.

"A correção de erros é um dos cálices sagrados da computação quântica hoje," afirmou Schoelkopf. "É preciso pelo menos três qubits para sermos capazes de começar a fazer isso, então este é um passo muito importante."

Qubits de fase

Para fazer o entrelaçamento, em vez do estado GHZ, da equipe da Universidade Santa Barbara usou um estado conhecido como W, no qual um dos qubits tem estado 1 e os outros dois tem estado 0.
[Imagem: Neeley et al./Nature]

A outra equipe, da Universidade de Santa Bárbara, usou em enfoque ligeiramente diferente. Eles usaram qubits supercondutores de fase, onde duas fatias de material supercondutor são separadas por uma camada muito fina de material isolante - uma junção Josephson.

Os estados 0 e 1 do qubit de fase são determinados pelas oscilações quânticas da diferença de fase entre os eletrodos da junção.

Para fazer o entrelaçamento, em vez do estado GHZ, o físico Matthew Neeley usou um estado conhecido como W, no qual um dos qubits tem estado 1 e os outros dois tem estado 0.

Neeley afirma que o estado GHZ mantém um entrelaçamento mais forte, mas é muito frágil, e a medição de um dos qubits destrói o entrelaçamento dos outros dois.

"O estado W é de certa forma menos entrelaçado, mas ainda assim muito mais robusto - em dois terços do tempo, medir um qubit manterá os outros dois entrelaçados," afirma o físico. "Nós produzimos os dois estados com nossos qubits de fase, e medimos sua fidelidade em comparação com os estados teóricos ideais. Experimentalmente, a fidelidade nunca é perfeita, mas nós mostramos que ela é alta o suficiente para provar que os três qubits estão entrelaçados."

Neeley é membro da equipe dos professores Andrew Cleland e John Martinis. Entre os feitos recentes do grupo estão o controle quântico da luz e a aplicação da mecânica quântica ao movimento de objetos macroscópicos. Foram também eles que apresentaram o primeiro componente de um computador quântico, em 2008.

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