Se você está construindo um computador quântico com a intenção de fazer cálculos nem mesmo imagináveis ​​com a tecnologia convencional de hoje, você terá um esforço árduo. Caso em questão:você está investigando novos problemas e situações associados ao trabalho básico de sistemas novos e complicados, bem como de tecnologia de ponta.

Essa é a vida dos cientistas do Grupo Martinis da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara e do Google, Inc., à medida que exploram o mundo empolgante, mas também um tanto contra-intuitivo, da computação quântica. Em artigo publicado na revista Física da Natureza , eles e colegas da Tulane University em New Orleans demonstram uma plataforma relativamente simples, mas completa para o processamento quântico, integrando o controle de três qubits supercondutores.

"Estamos testando o limite de nossa capacidade, "disse o autor principal do jornal, Pedram Roushan. Tem havido alguns esforços para construir e estudar as partes individuais de um processador quântico, ele explicou, mas este projeto específico envolve colocá-los todos juntos em um bloco de construção básico que pode ser totalmente controlado e potencialmente escalado em um computador quântico funcional.

Contudo, antes de um computador quântico totalmente praticável - com todo o seu potencial para uma vasta, cálculos rápidos e simultâneos - podem ser feitos, Surgem várias circunstâncias, às vezes imprevisíveis e espontâneas, que devem ser compreendidas à medida que os pesquisadores buscam maior controle e sofisticação de seu sistema.

"Você está lidando com partículas - qubits neste caso - que estão interagindo entre si, e eles estão interagindo com campos externos, "Roushan disse." Isso tudo leva a uma física muito complicada. "

Para ajudar a resolver este problema específico de muitos corpos, ele explicou, seu sistema de processamento quântico totalmente controlável teve que ser construído a partir de um único qubit, a fim de dar aos pesquisadores oportunidades de entender mais claramente os estados, comportamentos e interações que podem ocorrer.

Ao projetar as sequências de pulso usadas para manipular os spins dos fótons em seu sistema, os pesquisadores criaram um campo magnético artificial afetando seu circuito fechado de três qubits, fazendo com que os fótons interajam fortemente não apenas uns com os outros, mas também com o campo pseudomagnético. Não é uma pequena façanha.

"Naturalmente, a maioria dos sistemas onde há um bom controle são sistemas fotônicos, "disse o co-autor Charles Neill. Ao contrário dos elétrons, fótons sem carga geralmente tendem a não interagir uns com os outros nem com campos magnéticos externos, ele explicou. "Neste artigo, mostramos que podemos fazer com que eles interajam uns com os outros de forma muito forte, e interagir com um campo magnético muito fortemente, quais são as duas coisas que você precisa fazer para levá-los a fazer física interessante com fótons, "Neill disse.

Outra vantagem desse sistema de matéria condensada sintética é a capacidade de conduzi-lo ao seu estado de energia mais baixo - chamado de estado fundamental - para sondar suas propriedades.

Mas com mais controle vem o potencial para mais decoerência. À medida que os pesquisadores se esforçavam para obter maior capacidade de programação e capacidade de influenciar e ler os qubits, quanto mais aberto seu sistema provavelmente seria para erros e perda de informações.

"Quanto mais controle tivermos sobre um sistema quântico, os algoritmos mais complexos que poderíamos executar, "disse o co-autor Anthony Megrant." No entanto, cada vez que adicionamos uma linha de controle, também estamos introduzindo uma nova fonte de decoerência. "No nível de um único qubit, uma pequena margem de erro pode ser tolerada, os pesquisadores explicaram, mas mesmo com um aumento relativamente pequeno no número de qubits, o potencial de erro se multiplica exponencialmente.

"Existem essas correções que são intrinsecamente quânticas, e então eles começam a importar no nível de precisão que estamos alcançando, "Neill disse.

Para combater o potencial de erro enquanto aumenta seu nível de controle, a equipe teve que reconsiderar a arquitetura de seu circuito e o material que estava sendo usado nele. Em vez de seu nível tradicionalmente único, layout plano, os pesquisadores redesenharam o circuito para permitir que as linhas de controle "cruzassem" outras por meio de uma "ponte" metálica autossustentável. O dielétrico - o material isolante entre os fios condutores de controle - foi considerado uma das principais fontes de erros.

"Todos os dielétricos depositados que conhecemos apresentam muitas perdas, "Megrant disse, e assim um substrato fabricado com mais precisão e menos defeituoso foi trazido para minimizar a probabilidade de decoerência.

O progresso é incremental, mas sólido, de acordo com os pesquisadores, que continuam a explorar o verdadeiro potencial de seu sistema quântico. Adicione a essa delicada velocidade de dança, que é essencial para o tipo de desempenho que desejam ver em um computador quântico totalmente operacional. Velocidades baixas reduzem os erros de controle, mas tornam o sistema mais vulnerável aos limites de coerência e defeitos impostos pelos materiais. Velocidades rápidas evitam a influência de defeitos no material, mas reduzem a quantidade de controle que os operadores têm sobre o sistema, eles disseram.

Com esta plataforma, Contudo, a ampliação será uma realidade em um futuro não muito distante, eles disseram.

"Se pudermos controlar esses sistemas com muita precisão - talvez no nível de 30 qubits ou mais - podemos chegar ao nível de fazer cálculos que nenhum computador convencional pode fazer, "Roushan disse.