Os pesquisadores do MIT introduziram uma arquitetura de computação quântica que pode realizar cálculos quânticos de baixo erro ao mesmo tempo em que compartilha rapidamente informações quânticas entre os processadores. O trabalho representa um avanço fundamental em direção a uma plataforma de computação quântica completa.

Antes desta descoberta, processadores quânticos de pequena escala realizaram tarefas com sucesso a uma taxa exponencialmente mais rápida do que os computadores clássicos. Contudo, tem sido difícil comunicar de forma controlada informações quânticas entre partes distantes de um processador. Em computadores clássicos, as interconexões com fio são usadas para rotear informações de um lado para outro em um processador durante o curso de um cálculo. Em um computador quântico, Contudo, a informação em si é mecânica quântica e frágil, exigindo estratégias fundamentalmente novas para processar e comunicar simultaneamente informações quânticas em um chip.

"Um dos principais desafios no dimensionamento de computadores quânticos é permitir que bits quânticos interajam uns com os outros quando não estão co-localizados, "diz William Oliver, um professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação, Membro do MIT Lincoln Laboratory, e diretor associado do Laboratório de Pesquisa para Eletrônica. "Por exemplo, qubits do vizinho mais próximo podem interagir facilmente, mas como faço 'interconexões quânticas' que conectam qubits em locais distantes? "

A resposta está em ir além das interações convencionais de matéria leve.

Embora os átomos naturais sejam pequenos e semelhantes a pontos em relação ao comprimento de onda da luz com a qual interagem, em um artigo publicado na revista Natureza , os pesquisadores mostram que este não precisa ser o caso para "átomos artificiais" supercondutores. Em vez de, eles construíram "átomos gigantes" a partir de bits quânticos supercondutores, ou qubits, conectado em uma configuração sintonizável a uma linha de transmissão de microondas, ou guia de ondas.

Isso permite que os pesquisadores ajustem a força das interações do guia de onda do qubit para que os qubits frágeis possam ser protegidos da decoerência, ou uma espécie de decadência natural que, de outra forma, seria acelerada pelo guia de ondas, enquanto executam operações de alta fidelidade. Uma vez que esses cálculos são realizados, a força dos acoplamentos de guia de onda qubit é reajustada, e os qubits são capazes de liberar dados quânticos no guia de ondas na forma de fótons, ou partículas leves.

"Acoplar um qubit a um guia de ondas é geralmente muito ruim para operações de qubit, uma vez que isso pode reduzir significativamente a vida útil do qubit, "diz Bharath Kannan, Bolsista de pós-graduação do MIT e primeiro autor do artigo. "Contudo, o guia de ondas é necessário para liberar e encaminhar informações quânticas por todo o processador. Aqui, mostramos que é possível preservar a coerência do qubit mesmo que ele esteja fortemente acoplado a um guia de ondas. Em seguida, temos a capacidade de determinar quando queremos liberar as informações armazenadas no qubit. Mostramos como átomos gigantes podem ser usados ​​para ligar e desligar a interação com o guia de ondas. "

O sistema realizado pelos pesquisadores representa um novo regime de interações luz-matéria, dizem os pesquisadores. Ao contrário dos modelos que tratam os átomos como objetos pontuais menores do que o comprimento de onda da luz com a qual interagem, os qubits supercondutores, ou átomos artificiais, são circuitos elétricos essencialmente grandes. Quando acoplado ao guia de ondas, eles criam uma estrutura tão grande quanto o comprimento de onda da luz de microondas com a qual interagem.

O átomo gigante emite suas informações como fótons de microondas em vários locais ao longo do guia de ondas, de forma que os fótons interfiram uns com os outros. Este processo pode ser ajustado para completar a interferência destrutiva, o que significa que a informação no qubit está protegida. Além disso, mesmo quando nenhum fóton é realmente liberado do átomo gigante, múltiplos qubits ao longo do guia de ondas ainda são capazes de interagir uns com os outros para realizar operações. Ao longo, os qubits permanecem fortemente acoplados ao guia de ondas, mas por causa deste tipo de interferência quântica, eles podem permanecer não afetados por ele e protegidos da decoerência, enquanto as operações de um e dois qubit são realizadas com alta fidelidade.

"Usamos os efeitos de interferência quântica habilitados pelos átomos gigantes para evitar que os qubits emitam suas informações quânticas para o guia de ondas até que precisemos delas." disse Oliver.

"Isso nos permite sondar experimentalmente um novo regime de física que é difícil de acessar com átomos naturais, "diz Kannan." Os efeitos do átomo gigante são extremamente limpos e fáceis de observar e compreender. "

O trabalho parece ter muito potencial para pesquisas futuras, Kannan acrescenta.

"Acho que uma das surpresas é na verdade a relativa facilidade com que os qubits supercondutores são capazes de entrar neste regime de átomo gigante." ele diz. "Os truques que empregamos são relativamente simples e, Como tal, pode-se imaginar o uso disso para outras aplicações sem uma grande sobrecarga adicional. "

O tempo de coerência dos qubits incorporados aos átomos gigantes, ou seja, o tempo que permaneceram em um estado quântico, foi de aproximadamente 30 microssegundos, quase o mesmo para qubits não acoplados a um guia de ondas, que variam entre 10 e 100 microssegundos, de acordo com os pesquisadores.

Adicionalmente, a pesquisa demonstra operações de emaranhamento de dois qubit com 94 por cento de fidelidade. Isso representa a primeira vez que os pesquisadores citaram uma fidelidade de dois qubit para qubits fortemente acoplados a um guia de ondas, porque a fidelidade de tais operações usando pequenos átomos convencionais geralmente é baixa em tal arquitetura. Com mais calibração, procedimentos de ajuste de operação e design de hardware otimizado, Kannan diz, a fidelidade pode ser melhorada ainda mais.