Físicos da ETH Zurich demonstraram um link quântico de microondas de cinco metros de comprimento, o mais longo de seu tipo até hoje. Ele pode ser usado tanto para futuras redes de computadores quânticos quanto para experimentos em pesquisas básicas de física quântica.

Colaboração é tudo - também no mundo quântico. Para construir computadores quânticos poderosos no futuro, será necessário conectar vários computadores menores para formar uma espécie de cluster ou rede local (LAN). Uma vez que esses computadores trabalham com estados de superposição mecânica quântica, que contém os valores lógicos "0" e "1" ao mesmo tempo, os links entre eles também devem ser "links quânticos".

O link mais longo até agora baseado em microondas, com cinco metros de comprimento, foi recentemente construído no laboratório de Andreas Wallraff, professor do Quantum Device Lab da ETH Zurich. Os pesquisadores deveriam apresentar seus resultados na reunião anual da American Physical Society em Denver. Por causa da situação epidêmica de COVID-19, esta conferência foi cancelada em curto prazo. Em vez de, os cientistas agora relatam seus resultados em uma conferência substituta virtual.

"Isso é realmente um marco para nós, "Wallraff explica, "desde agora, podemos mostrar que as LANs quânticas são possíveis em princípio. Nos próximos 10 a 20 anos, os computadores quânticos provavelmente dependerão cada vez mais deles. "Atualmente, existem computadores com algumas dezenas de bits quânticos ou qubits, mas várias centenas de milhares deles são quase impossíveis de acomodar nos dispositivos existentes. Uma razão para isso é que os qubits baseados em osciladores elétricos supercondutores, como aqueles usados ​​nos chips quânticos no laboratório de Wallraff (e também pela IBM e Google), precisa ser resfriado a temperaturas próximas ao zero absoluto de -273, 15 graus Celsius. Isso suprime perturbações térmicas que fariam com que os estados quânticos perdessem sua propriedade de superposição - isso é conhecido como decoerência - e, portanto, erros nos cálculos quânticos ocorriam.

Frio extremo contra decoerência

"O desafio era conectar dois desses chips quânticos supercondutores de forma a poder trocar estados de superposição entre eles com o mínimo de decoerência, "diz Philipp Kurpiers, um ex-Ph.D. aluno do grupo de Wallraff. Isso acontece por meio de fótons de microondas que são emitidos por um oscilador supercondutor e recebidos por outro. Entre, eles voam através de um guia de ondas, que é uma cavidade de metal com alguns centímetros de largura, que também precisa ser fortemente resfriado para que os estados quânticos dos fótons não sejam influenciados.

Cada um dos chips quânticos é resfriado ao longo de vários dias em um criostato (um refrigerador extremamente poderoso), usando hélio comprimido e também líquido, a alguns centésimos de grau acima do zero absoluto. Para esse fim, o guia de ondas de cinco metros que cria o link quântico foi equipado com uma concha que consiste em várias camadas de folha de cobre. Cada uma dessas folhas atua como um escudo térmico para os diferentes estágios de temperatura do criostato:-223 graus, -269 graus, -272 graus e finalmente -273, 1 grau. Completamente, só esses escudos térmicos pesam cerca de um quarto de tonelada.

Sem experiência de "mesa"

"Então, definitivamente não é mais um experimento de "mesa" que se pode montar em uma pequena bancada, "Wallraff diz." Muito trabalho de desenvolvimento foi feito para isso, e a ETH é o lugar ideal para a construção de um aparelho tão ambicioso. É uma espécie de mini-CERN que primeiro tivemos que construir ao longo de vários anos para poder fazer coisas interessantes com ele agora. "Além dos três alunos de doutorado que realizaram os experimentos, vários engenheiros e técnicos, também nas oficinas da ETH e do Instituto Paul Scherrer (PSI), estavam envolvidos na produção e construção do link quântico.

Os físicos da ETH não só mostraram que a ligação quântica pode ser suficientemente resfriada, mas também que pode realmente ser usado para transmitir informações quânticas de forma confiável entre dois chips quânticos. Para demonstrar isso, eles criaram um estado emaranhado entre os dois chips por meio do link quântico. Esses estados emaranhados, em que medir um qubit instantaneamente influencia o resultado de uma medição no outro qubit, também pode ser usado para testes em pesquisa quântica básica. Nesses "testes de Bell, "os qubits devem estar distantes um do outro, de modo que qualquer transferência de informação na velocidade da luz pode ser descartada.

Enquanto Wallraff e seus colaboradores realizam experimentos com o novo link, eles já começaram a trabalhar em links quânticos ainda mais longos. Já há um ano, eles conseguiram resfriar suficientemente um link de dez metros, mas sem fazer nenhum experimento quântico com ele. Agora eles estão trabalhando em um link quântico de 30 metros, para o qual foi especialmente preparada uma sala da ETH.