Uma equipe do Dartmouth College e do MIT projetou e conduziu o primeiro teste de laboratório para detectar e caracterizar com sucesso uma classe de complexos, Processos de ruído "não gaussianos" que são encontrados rotineiramente em sistemas de computação quântica supercondutores.

A caracterização do ruído não gaussiano em bits quânticos supercondutores é uma etapa crítica para tornar esses sistemas mais precisos.

O estudo conjunto, publicado em Nature Communications , poderia ajudar a acelerar a realização de sistemas de computação quântica. O experimento foi baseado em pesquisas teóricas anteriores conduzidas em Dartmouth e publicadas em Cartas de revisão física em 2016.

"Este é o primeiro passo concreto para tentar caracterizar tipos mais complicados de processos de ruído do que comumente assumido no domínio quântico, "disse Lorenza Viola, um professor de física em Dartmouth que liderou o estudo de 2016, bem como o componente de teoria do presente trabalho. "Como as propriedades de coerência do qubit estão sendo constantemente aprimoradas, é importante detectar ruído não gaussiano para construir os sistemas quânticos mais precisos possíveis. "

Os computadores quânticos diferem dos computadores tradicionais por irem além do sequenciamento binário "liga-desliga" favorecido pela física clássica. Os computadores quânticos dependem de bits quânticos - também conhecidos como qubits - que são construídos a partir de partículas atômicas e subatômicas.

Essencialmente, Os qubits podem ser colocados em uma combinação das posições "on" e "off" ao mesmo tempo. Eles também podem ser "emaranhados, "o que significa que as propriedades de um qubit podem influenciar outro à distância.

Os sistemas qubit supercondutores são considerados um dos principais candidatos na corrida para construir sistemas escaláveis, computadores quânticos de alto desempenho. Mas, como outras plataformas qubit, eles são altamente sensíveis ao ambiente e podem ser afetados por ruídos externos e internos.

O ruído externo em sistemas de computação quântica pode vir de eletrônicos de controle ou campos magnéticos dispersos. O ruído interno pode vir de outros sistemas quânticos não controlados, como impurezas materiais. A capacidade de reduzir o ruído é o principal foco no desenvolvimento de computadores quânticos.

"A grande barreira que nos impede de ter computadores quânticos de grande escala agora é o problema do ruído." disse Leigh Norris, um associado de pós-doutorado em Dartmouth que foi coautor do estudo. "Esta pesquisa nos leva a entender o ruído, que é um passo para cancelá-lo, e espero ter um computador quântico confiável um dia. "

O ruído indesejado é frequentemente descrito em termos de modelos "Gaussianos" simples, em que a distribuição de probabilidade das flutuações aleatórias de ruído cria um familiar, curva gaussiana em forma de sino. O ruído não gaussiano é mais difícil de descrever e detectar porque está fora da faixa de validade dessas suposições e porque pode simplesmente haver menos.

Sempre que as propriedades estatísticas do ruído são gaussianas, uma pequena quantidade de informações pode ser usada para caracterizar o ruído, ou seja, as correlações em apenas dois momentos distintos, ou equivalente, em termos de uma descrição de domínio de frequência, o chamado "espectro de ruído".

Graças à sua alta sensibilidade ao ambiente circundante, qubits podem ser usados ​​como sensores de seu próprio ruído. Com base nessa ideia, pesquisadores fizeram progressos no desenvolvimento de técnicas para identificar e reduzir o ruído gaussiano em sistemas quânticos, semelhante ao funcionamento dos fones de ouvido com cancelamento de ruído.

Embora não seja tão comum quanto o ruído gaussiano, identificar e cancelar o ruído não gaussiano é um desafio igualmente importante para projetar sistemas quânticos de forma otimizada.

O ruído não gaussiano é distinguido por padrões mais complicados de correlações que envolvem vários pontos no tempo. Como resultado, são necessárias muito mais informações sobre o ruído para que seja identificado.

No estudo, os pesquisadores foram capazes de aproximar as características do ruído não gaussiano usando informações sobre correlações em três momentos diferentes, correspondendo ao que é conhecido como "bispectro" no domínio da frequência.

"Esta é a primeira vez que um detalhado, a caracterização de frequência resolvida de ruído não gaussiano pode ser feita em um laboratório com qubits. Este resultado expande significativamente a caixa de ferramentas que temos disponível para fazer caracterização precisa de ruído e, portanto, criar qubits melhores e mais estáveis ​​em computadores quânticos, "disse Viola.

Um computador quântico que não detecta ruído não gaussiano pode ser facilmente confundido entre o sinal quântico que deve processar e o ruído indesejado no sistema. Protocolos para obter espectroscopia de ruído não gaussiana não existiam até o estudo de Dartmouth em 2016.

Embora o experimento do MIT para validar o protocolo não torne os computadores quânticos de grande escala praticamente viáveis, é um passo importante para torná-los mais precisos.

"Essa pesquisa começou no quadro branco. Não sabíamos se alguém conseguiria colocá-la em prática, mas apesar dos desafios conceituais e experimentais significativos, a equipe do MIT fez isso, "disse Felix Beaudoin, um ex-aluno de pós-doutorado em Dartmouth no grupo de Viola que também desempenhou um papel fundamental na ponte entre a teoria e o experimento no estudo.

"Tem sido uma alegria absoluta colaborar com Lorenza Viola e sua fantástica equipe de teoria em Dartmouth, "disse William Oliver, professor de física no MIT. "Trabalhamos juntos há anos em vários projetos e, à medida que a computação quântica transita da curiosidade científica para a realidade técnica, Eu prevejo a necessidade de mais colaboração interdisciplinar e interinstitucional. "

De acordo com a equipe de pesquisa, ainda são necessários anos de trabalho adicional para aperfeiçoar a detecção e o cancelamento de ruído em sistemas quânticos. Em particular, pesquisas futuras passarão de um sistema de sensor único para um sistema de dois sensores, permitindo a caracterização de correlações de ruído em diferentes qubits.