A praticidade da computação quântica depende da integridade do bit quântico, ou qubit.

Qubits, os elementos lógicos dos computadores quânticos, são sistemas coerentes de dois níveis que representam informações quânticas. Cada qubit tem a estranha capacidade de estar em uma superposição quântica, carregando aspectos de ambos os estados simultaneamente, permitindo uma versão quântica de computação paralela. Computadores quânticos, se eles podem ser escalados para acomodar muitos qubits em um processador, poderia ser vertiginosamente mais rápido, e capaz de lidar com problemas muito mais complexos, do que os computadores convencionais de hoje.

Mas tudo isso depende da integridade de um qubit, ou por quanto tempo ele pode operar antes que sua superposição e as informações quânticas sejam perdidas - um processo chamado decoerência, o que em última análise limita o tempo de execução do computador. Supercondução de qubits - uma modalidade de qubit líder hoje - alcançou uma melhoria exponencial nesta métrica chave, de menos de um nanossegundo em 1999 a cerca de 200 microssegundos hoje para os dispositivos de melhor desempenho.

Mas os pesquisadores do MIT, Laboratório MIT Lincoln, e o Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) descobriram que o desempenho de um qubit em breve atingirá uma barreira. Em um artigo publicado em Natureza , a equipe relata que o nível baixo, caso contrário, a radiação de fundo inofensiva emitida por oligoelementos nas paredes de concreto e os raios cósmicos incidentes são suficientes para causar decoerência em qubits. Eles descobriram que este efeito, se não mitigado, limitará o desempenho dos qubits a apenas alguns milissegundos.

Dada a taxa na qual os cientistas vêm melhorando os qubits, eles podem atingir essa parede induzida por radiação em apenas alguns anos. Para superar essa barreira, os cientistas terão que encontrar maneiras de proteger os qubits - e quaisquer computadores quânticos práticos - da radiação de baixo nível, talvez construindo os computadores no subsolo ou projetando qubits que sejam tolerantes aos efeitos da radiação.

"Esses mecanismos de decoerência são como uma cebola, e temos retirado as camadas nos últimos 20 anos, mas há outra camada que não diminuiu e vai nos limitar em alguns anos, que é a radiação ambiental, "diz William Oliver, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação e Lincoln Laboratory Fellow no MIT. "Este é um resultado empolgante, porque nos motiva a pensar em outras maneiras de projetar qubits para contornar esse problema. "

O autor principal do artigo é Antti Vepsäläinen, um pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

"É fascinante como os qubits supercondutores são sensíveis à radiação fraca. A compreensão desses efeitos em nossos dispositivos também pode ser útil em outras aplicações, como sensores supercondutores usados ​​em astronomia, "Vepsäläinen diz.

Os co-autores do MIT incluem Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, e o professor de física Joseph Formaggio, junto com David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski, e Jonilyn Yoder no Lincoln Laboratory, e John Orrell, Ben Loer, e Brent VanDevender do PNNL.

Um efeito cósmico

Qubits supercondutores são circuitos elétricos feitos de materiais supercondutores. Eles compreendem uma grande quantidade de elétrons emparelhados, conhecidos como pares Cooper, que fluem através do circuito sem resistência e trabalham juntos para manter o estado de superposição tênue do qubit. Se o circuito for aquecido ou interrompido de outra forma, pares de elétrons podem se dividir em "quasipartículas, "causando decoerência no qubit que limita seu funcionamento.

Existem muitas fontes de decoerência que podem desestabilizar um qubit, como campos magnéticos e elétricos flutuantes, energia térmica, e até mesmo interferência entre qubits.

Os cientistas há muito suspeitam que níveis muito baixos de radiação podem ter um efeito desestabilizador semelhante nos qubits.

"Eu nos últimos cinco anos, a qualidade dos qubits supercondutores tornou-se muito melhor, e agora estamos a um fator de 10 de onde os efeitos da radiação vão importar, "acrescenta Kim, membro da equipe técnica do MIT Lincoln Laboratotry.

Então Oliver e Formaggio se uniram para ver como eles poderiam identificar o efeito da radiação ambiental de baixo nível sobre os qubits. Como um físico neutrino, Formaggio tem experiência em projetar experimentos que protegem contra as menores fontes de radiação, ser capaz de ver neutrinos e outras partículas difíceis de detectar.

"Calibração é a chave"

O time, trabalhando com colaboradores no Lincoln Laboratory e PNNL, primeiro teve que projetar um experimento para calibrar o impacto dos níveis conhecidos de radiação no desempenho dos qubit supercondutores. Para fazer isso, eles precisavam de uma fonte radioativa conhecida - uma que se tornasse menos radioativa lentamente o suficiente para avaliar o impacto em níveis de radiação essencialmente constantes, mas rápido o suficiente para avaliar uma gama de níveis de radiação dentro de algumas semanas, até o nível de radiação de fundo.

O grupo escolheu irradiar uma folha de cobre de alta pureza. Quando exposto a um alto fluxo de nêutrons, o cobre produz grandes quantidades de cobre-64, um isótopo instável com exatamente as propriedades desejadas.

"O cobre apenas absorve nêutrons como uma esponja, "diz Formaggio, que trabalhou com operadores no Laboratório de Reator Nuclear do MIT para irradiar dois pequenos discos de cobre por vários minutos. Eles então colocaram um dos discos ao lado dos qubits supercondutores em uma geladeira de diluição no laboratório de Oliver no campus. Em temperaturas cerca de 200 vezes mais frias do que o espaço sideral, eles mediram o impacto da radioatividade do cobre na coerência dos qubits enquanto a radioatividade diminuía - até os níveis ambientais de fundo.

A radioatividade do segundo disco foi medida à temperatura ambiente como um medidor para os níveis que atingem o qubit. Por meio dessas medições e simulações relacionadas, a equipe entendeu a relação entre os níveis de radiação e o desempenho do qubit, um que poderia ser usado para inferir o efeito da radiação ambiental de ocorrência natural. Com base nessas medições, o tempo de coerência do qubit seria limitado a cerca de 4 milissegundos.

"Não acabou o jogo"

A equipe então removeu a fonte radioativa e passou a demonstrar que proteger os qubits da radiação ambiental melhora o tempo de coerência. Para fazer isso, os pesquisadores construíram uma parede de 2 toneladas de tijolos de chumbo que poderia ser levantada e abaixada em um elevador de tesoura, para proteger ou expor o refrigerador à radiação circundante.

"Construímos um pequeno castelo em torno desta geladeira, "Oliver diz.

A cada 10 minutos, e ao longo de várias semanas, os alunos do laboratório de Oliver alternavam apertando um botão para levantar ou abaixar a parede, como um detector mede a integridade dos qubits, ou "taxa de relaxamento, "uma medida de como a radiação ambiental impacta o qubit, com e sem o escudo. Ao comparar os dois resultados, eles efetivamente extraíram o impacto atribuído à radiação ambiental, confirmando a previsão de 4 milissegundos e demonstrando que a blindagem melhorou o desempenho do qubit.

"É difícil livrar-se da radiação de raios cósmicos, "Formaggio diz." É muito penetrante, e atravessa tudo como um jato. Se você for ao subterrâneo, isso fica cada vez menos. Provavelmente não é necessário construir computadores quânticos no subsolo, como experimentos de neutrino, mas talvez as instalações em porões profundos pudessem provavelmente fazer com que os qubits operassem em níveis melhores. "

Ir para a clandestinidade não é a única opção, e Oliver tem ideias de como projetar dispositivos de computação quântica que ainda funcionam em face da radiação de fundo.

"Se quisermos construir uma indústria, provavelmente preferiríamos mitigar os efeitos da radiação acima do solo, "Oliver diz." Podemos pensar em projetar qubits de uma forma que os torne rad-hard, 'e menos sensível a quasipartículas, ou projetar armadilhas para quasipartículas de modo que, mesmo que sejam geradas constantemente por radiação, eles podem fluir para longe do qubit. Portanto, definitivamente não é o fim do jogo, é apenas a próxima camada da cebola que precisamos resolver. "