Por
Michaela Jarvis, Massachusetts Institute of Technology
Os pesquisadores do MIT introduziram uma arquitetura
de computação quântica que pode realizar cálculos quânticos de baixo erro
enquanto também compartilha rapidamente informações quânticas entre os
processadores. O trabalho representa um avanço fundamental para uma
plataforma de computação quântica completa.
Antes dessa descoberta, os processadores quânticos
de pequena escala realizavam tarefas com sucesso a uma taxa exponencialmente
mais rápida do que os computadores clássicos. No entanto, tem sido difícil
comunicar de forma controlada informações quânticas entre partes
distantes de um processador. Em computadores clássicos, as interconexões
com fio são usadas para encaminhar informações para frente e para trás em um
processador durante o curso de uma computação. Em um computador quântico,
entretanto, a informação em si é mecânica quântica e frágil, exigindo
estratégias fundamentalmente novas para processar e comunicar simultaneamente a
informação quântica em um chip.
"Um dos principais desafios no dimensionamento
de computadores quânticos é permitir que os bits quânticos interajam uns com os
outros quando não estão co-localizados", diz William Oliver, professor
associado de engenharia elétrica e ciência da computação, bolsista do
Laboratório Lincoln do MIT, e associado diretor do Laboratório de Pesquisa em
Eletrônica. "Por exemplo, qubits vizinhos mais próximos podem
interagir facilmente, mas como faço 'interconexões quânticas' que conectam
qubits em locais distantes?"
A resposta está em ir além das interações
convencionais de matéria leve.
Embora os átomos naturais sejam
pequenos e semelhantes a pontos em relação ao comprimento de onda da luz com a
qual interagem, em um artigo publicado na revista Nature, os
pesquisadores mostram que esse não precisa ser o caso para supercondutores de
"átomos artificiais". Em vez disso, eles construíram
"átomos gigantes" de bits quânticos supercondutores, ou qubits,
conectados em uma configuração sintonizável a uma linha de transmissão de micro-ondas,
ou guia de ondas.
Isso permite que os pesquisadores ajustem a força
das interações do guia de onda qubit para que os qubits frágeis possam ser
protegidos da decoerência, ou um tipo de decadência natural que de outra forma
seria acelerada pelo guia de onda, enquanto eles realizam operações de alta
fidelidade. Uma vez que esses cálculos são realizados, a força dos
acoplamentos de guia de onda qubit é reajustada, e os qubits são capazes de
liberar dados quânticos para o guia de onda na forma de fótons ou partículas de
luz.
"Acoplar
um qubit a um guia de ondas é geralmente muito ruim para operações de qubit,
pois isso pode reduzir significativamente a vida útil do qubit",
disse Bharath Kannan, bolsista do MIT e primeiro autor do artigo. "No entanto, o guia de ondas é
necessário para liberar e rotear as informações quânticas por todo o
processador. Aqui, mostramos que é possível preservar a coerência do qubit,
mesmo que ele esteja fortemente acoplado a um guia de ondas. Assim, temos a
capacidade de determinar quando queremos liberar as informações armazenadas no
qubit. Mostramos como átomos gigantes podem ser usados para ativar e
desativar a interação com o guia de ondas."
O sistema realizado pelos pesquisadores representa
um novo regime de interações luz-matéria, dizem os pesquisadores. Ao
contrário dos modelos que tratam os átomos como objetos pontuais menores do que
o comprimento de onda da luz com a qual interagem, os qubits supercondutores,
ou átomos artificiais, são essencialmente grandes circuitos
elétricos. Quando acoplados ao guia de ondas, eles criam uma estrutura tão
grande quanto o comprimento de onda da luz de micro-ondas com a qual interagem.
O átomo gigante emite suas informações como fótons
de micro-ondas em vários locais ao longo do guia de ondas, de modo que os
fótons interferem uns com os outros. Este processo pode ser ajustado para
completar a interferência destrutiva, significando que a informação no qubit
está protegida. Além disso, mesmo quando nenhum fóton é realmente liberado
do átomo gigante, vários qubits ao longo do guia de onda ainda são capazes de
interagir entre si para realizar operações. Durante todo o tempo, os
qubits permanecem fortemente acoplados ao guia de ondas, mas por causa deste
tipo de interferência quântica, eles podem permanecer não afetados por ela e
ser protegidos da decoerência, enquanto as operações de um e dois qubit são
realizadas com alta fidelidade.
"Usamos
os efeitos de interferência quântica habilitados pelos átomos gigantes para evitar
que os qubits emitam suas informações quânticas para o guia de
ondas até que precisemos delas." disse Oliver.
"Isso nos permite sondar experimentalmente um
novo regime de física que é difícil de acessar com átomos naturais", diz
Kannan. "Os efeitos do átomo
gigante são extremamente claros e fáceis de observar e compreender."
O trabalho parece ter muito potencial para pesquisas
futuras, acrescenta Kannan.
"Acho
que uma das surpresas é na verdade a relativa facilidade com que os qubits
supercondutores são capazes de entrar neste regime de átomo gigante." ele
diz. "Os truques que empregamos
são relativamente simples e, como tal, pode-se imaginar usá-los para outras
aplicações sem uma grande sobrecarga adicional."
O tempo de coerência dos qubits incorporados aos
átomos gigantes, ou seja, o tempo em que permaneceram em um estado quântico,
foi de aproximadamente 30 microssegundos, quase o mesmo para qubits não
acoplados a um guia de onda, que tem uma faixa de 10 a 100 microssegundos, de
acordo com para os pesquisadores.
Além disso, a pesquisa demonstra operações de
emaranhamento de dois qubit com 94% de fidelidade. Isso representa a
primeira vez que os pesquisadores citaram uma fidelidade
de dois qubits para qubits fortemente acoplados a um guia de
ondas, porque a fidelidade de tais operações usando pequenos átomos
convencionais costuma ser baixa em tal arquitetura. Com mais calibração,
procedimentos de ajuste de operação e design de hardware otimizado, diz Kannan,
a fidelidade pode ser melhorada ainda mais.
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