Um novo método permite que o estado quântico dos "qubits" atômicos - a unidade básica de informação em computadores quânticos - seja medido com vinte vezes menos erro do que era possível anteriormente, sem perder nenhum átomo. Medindo com precisão os estados de qubit, que são análogos aos estados de um ou zero bits na computação tradicional, é uma etapa vital no desenvolvimento de computadores quânticos. Um artigo descrevendo o método por pesquisadores da Penn State aparece em 25 de março, 2019 no jornal Física da Natureza .

"Estamos trabalhando para desenvolver um computador quântico que usa uma matriz tridimensional de átomos de césio resfriados a laser e aprisionados como qubits, "disse David Weiss, professor de física da Penn State e líder da equipe de pesquisa. "Por causa de como a mecânica quântica funciona, os qubits atômicos podem existir em uma 'superposição' de dois estados, o que significa que eles podem ser, num sentido, em ambos os estados simultaneamente. Para ler o resultado de uma computação quântica, é necessário realizar uma medição em cada átomo. Cada medição encontra cada átomo em apenas um de seus dois estados possíveis. A probabilidade relativa dos dois resultados depende do estado de superposição antes da medição. "

Para medir estados de qubit, a equipe primeiro usa lasers para resfriar e prender cerca de 160 átomos em uma rede tridimensional com X, Y, e eixos Z. Inicialmente, os lasers prendem todos os átomos de forma idêntica, independentemente de seu estado quântico. Os pesquisadores então giram a polarização de um dos feixes de laser que cria a estrutura X, que desloca espacialmente átomos em um estado de qubit para a esquerda e átomos em outro estado de qubit para a direita. Se um átomo começa em uma superposição dos dois estados qubit, termina na superposição de ter se movido para a esquerda e ter se movido para a direita. Eles então mudam para uma rede X com um espaçamento de rede menor, que prende firmemente os átomos em sua nova superposição de posições deslocadas. Quando a luz é espalhada de cada átomo para observar onde ele está, cada átomo é encontrado deslocado para a esquerda ou para a direita, com uma probabilidade que depende de seu estado inicial. A medição da posição de cada átomo é equivalente a uma medição do estado qubit inicial de cada átomo.

"Mapear estados internos em localizações espaciais é um grande passo para tornar esta uma medida ideal, "disse Weiss." Outra vantagem de nossa abordagem é que as medições não causam a perda de nenhum dos átomos que estamos medindo, que é um fator limitante em muitos métodos anteriores. "

A equipe determinou a precisão de seu novo método carregando suas redes com átomos em um ou outro estado de qubit e realizando a medição. Eles foram capazes de medir com precisão os estados do átomo com uma fidelidade de 0,9994, o que significa que houve apenas seis erros em 10, 000 medições, uma melhoria de vinte vezes em métodos anteriores. Adicionalmente, a taxa de erro não foi afetada pelo número de qubits que a equipe mediu em cada experimento e porque não houve perda de átomos, os átomos poderiam ser reutilizados em um computador quântico para realizar o próximo cálculo.

"Nosso método é semelhante ao experimento Stern-Gerlach de 1922 - um experimento que é parte integrante da história da física quântica, "disse Weiss." No experimento, um feixe de átomos de prata foi passado através de um gradiente de campo magnético com seus pólos norte alinhados perpendicularmente ao gradiente. Quando Stern e Gerlach viram metade dos átomos desviar para cima e metade para baixo, confirmou a ideia da superposição quântica, um dos aspectos definidores da mecânica quântica. Em nosso experimento, também mapeamos os estados quânticos internos dos átomos em posições, mas podemos fazer isso átomo por átomo. Claro, não precisamos testar este aspecto da mecânica quântica, podemos simplesmente usá-lo. "