As correlações quânticas entre dois íons de berílio (representados como esferas azuis) são medidas sequencialmente usando um íon de cálcio auxiliar (esfera vermelha) e estabilizadas por controle de feedback através de um poderoso sistema de controle clássico (canto inferior direito) que apresenta processamento flexível em sequência. Crédito:ETH Zurique / Grupo doméstico
Os sistemas quânticos podem ser manipulados com extrema precisão, mas não perfeitamente. Pesquisadores do Departamento de Física da ETH Zurich já demonstraram como monitorar e corrigir erros que ocorrem durante tais operações.
O campo da computação quântica tem visto um tremendo progresso nos últimos anos. Cada vez mais, dispositivos quânticos estão desafiando os computadores convencionais, pelo menos um punhado de tarefas selecionadas. Apesar dos avanços atuais, os processadores de informação quântica de hoje ainda lutam para lidar com os erros, que inevitavelmente ocorrem em qualquer cálculo. Esta incapacidade de retificar erros de forma eficiente atrapalha os esforços de manutenção, processamento em larga escala de informações quânticas. Agora, um conjunto de experimentos do grupo de Jonathan Home no Institute for Quantum Electronics tem, pela primeira vez, integrou uma gama de elementos necessários para realizar a correção de erros quânticos em um único experimento. Esses resultados foram publicados hoje na revista. Natureza .
Tornando a imperfeição tolerável
Assim como suas contrapartes clássicas, computadores quânticos são construídos a partir de componentes imperfeitos, e são muito mais sensíveis a perturbações externas. Isso leva inevitavelmente a erros à medida que os cálculos são executados. Para computadores convencionais, existe um kit de ferramentas bem estabelecido para detectar e corrigir esses erros. Os computadores quânticos contarão ainda mais com a localização e correção de erros. Isso requer abordagens conceitualmente diferentes que levam em consideração o fato de que as informações são codificadas em estados quânticos. Em particular, ler informações quânticas repetidamente sem perturbá-las, um requisito para detectar erros, e reagir em tempo real para reverter esses erros representam desafios consideráveis.
Repita o desempenho
O grupo Home codifica informações quânticas nos estados quânticos de íons individuais que são amarrados juntos em uma armadilha. Tipicamente, essas cadeias contêm íons de apenas uma espécie. Mas Ph.D. alunos Vlad Negnevitsky e Matteo Marinelli, junto com o pós-doutorado Karan Mehta e outros colegas, agora criaram cordas nas quais prendem duas espécies diferentes - dois íons de berílio ( 9 Ser + ) e um íon de cálcio ( 40 Ca + ) Essas cordas de espécies mistas já foram produzidas antes, mas a equipe os usou de maneiras novas.
Eles fizeram uso das propriedades distintamente diferentes que as duas espécies possuem. Em particular, em seus experimentos, eles manipularam e mediram os íons de berílio e cálcio usando diferentes cores de luz. Isso abre um caminho para trabalhar com uma espécie sem perturbar a outra. Ao mesmo tempo, os pesquisadores do ETH encontraram maneiras de permitir que íons diferentes interajam uns com os outros, de modo que as medições do íon de cálcio produzam informações sobre os estados quânticos dos íons de berílio, sem corromper esses estados frágeis. Mais importante, os físicos monitoraram os íons de berílio repetidamente à medida que eram submetidos a imperfeições e erros. A equipe realizou 50 medições no mesmo sistema, Considerando que em experimentos anteriores (onde apenas íons de cálcio foram usados), essa leitura repetida foi limitada a apenas algumas rodadas.
Ação corretiva
Identificar erros é uma coisa; tomar medidas para retificá-los de outra forma. Para fazer o último, os pesquisadores desenvolveram um sistema de controle poderoso para empurrar repetidamente os íons de berílio, dependendo de quanto eles se afastaram do estado alvo. Trazer os íons de volta aos trilhos exigia um processamento complexo de informações na escala de tempo de microssegundos. Como o sistema usa eletrônica de controle clássica, a abordagem agora demonstrada deve ser útil também para plataformas de computação quântica baseadas em portadores de informações que não sejam íons aprisionados.
Mais importante, Negnevitsky, Marinelli, Mehta e seus colegas de trabalho demonstraram que essas técnicas também podem ser usadas para estabilizar estados nos quais os dois íons de berílio compartilham estados quânticos emaranhados, que não têm equivalente direto na física clássica. O emaranhamento é um ingrediente que confere aos computadores quânticos recursos exclusivos. Além disso, o emaranhamento também pode ser usado para aumentar a precisão das medições de precisão. Ingredientes para correção de erros, como os agora demonstrados, podem fazer esses estados durarem mais - fornecendo perspectivas intrigantes não apenas para computação quântica, mas também para metrologia.
