Pesquisadores da Chalmers University of Technology, Gotemburgo, Suécia, desenvolveram um novo tipo de termômetro que pode medir temperaturas de forma simples e rápida durante cálculos quânticos com precisão extremamente alta. A descoberta fornece uma ferramenta de benchmarking para computação quântica de grande valor - e abre para experimentos no campo empolgante da termodinâmica quântica.

Os principais componentes dos computadores quânticos são cabos coaxiais e guias de onda - estruturas que orientam as formas de onda e atuam como a conexão vital entre o processador quântico e a eletrônica clássica que o controla. Os pulsos de microondas viajam ao longo dos guias de ondas para o processador quântico, e são resfriados a temperaturas extremamente baixas ao longo do caminho. O guia de ondas também atenua e filtra os pulsos, permitindo que o computador quântico extremamente sensível funcione com estados quânticos estáveis.

A fim de maximizar o controle sobre este mecanismo, os pesquisadores precisam ter certeza de que esses guias de onda não estão transportando ruído devido ao movimento térmico dos elétrons no topo dos pulsos que eles enviam. Em outras palavras, eles têm que medir a temperatura dos campos eletromagnéticos na extremidade fria dos guias de ondas de microondas, o ponto onde os pulsos de controle são entregues aos qubits do computador. Trabalhar na temperatura mais baixa possível minimiza o risco de introdução de erros nos qubits.

Até agora, pesquisadores só conseguiram medir essa temperatura indiretamente, com atraso relativamente grande. Agora, com o novo termômetro dos pesquisadores Chalmers, temperaturas muito baixas podem ser medidas diretamente na extremidade receptora do guia de ondas, com precisão e com resolução de tempo extremamente alta.

"Nosso termômetro é um circuito supercondutor, diretamente conectado ao final do guia de ondas sendo medido. É relativamente simples - e provavelmente o termômetro mais rápido e sensível do mundo para este propósito específico na escala de milikelvin, "diz Simone Gasparinetti, professor assistente do Laboratório de Tecnologia Quântica, Chalmers University of Technology.

Importante para medir o desempenho do computador quântico

Os pesquisadores do Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, tem o objetivo de construir um computador quântico baseado em circuitos supercondutores com pelo menos 100 qubits funcionando bem, realizando cálculos corretos até 2030. Requer uma temperatura de trabalho do processador próxima do zero absoluto, idealmente, até 10 milikelvin. O novo termômetro oferece aos pesquisadores uma ferramenta importante para medir a qualidade de seus sistemas e quais são as deficiências existentes - uma etapa necessária para refinar a tecnologia e atingir seu objetivo.

"Uma certa temperatura corresponde a um determinado número de fótons térmicos, e esse número diminui exponencialmente com a temperatura. Se conseguirmos diminuir a temperatura no final onde o guia de ondas encontra o qubit para 10 milikelvin, o risco de erros em nossos qubits é reduzido drasticamente, "diz Per Delsing, Professor do Departamento de Microtecnologia e Nanociência, Chalmers University of Technology, e líder do WACQT.

A medição precisa da temperatura também é necessária para fornecedores que precisam ser capazes de garantir a qualidade de seus componentes, por exemplo, cabos que são usados ​​para lidar com sinais até estados quânticos.

Novas oportunidades no campo da termodinâmica quântica

Fenômenos da mecânica quântica, como superposição, emaranhamento e decoerência significam uma revolução não apenas para a computação futura, mas potencialmente também na termodinâmica. Pode muito bem ser que as leis da termodinâmica mudem de alguma forma ao trabalhar em nanoescala de uma forma que um dia poderia ser explorada para produzir motores mais poderosos, baterias de carregamento mais rápido, e mais.

"Por 15 a 20 anos, pessoas estudaram como as leis da termodinâmica podem ser modificadas por fenômenos quânticos, mas a busca por uma vantagem quântica genuína em termodinâmica ainda está aberta, "diz Simone Gasparinetti, que recentemente iniciou seu próprio grupo de pesquisa e planeja contribuir para essa pesquisa com uma nova gama de experimentos.

O novo termômetro pode, por exemplo, medir a dispersão de microondas térmicas de um circuito que atua como um motor de calor quântico ou refrigerador.

"Termômetros padrão foram fundamentais para o desenvolvimento da termodinâmica clássica. Esperamos que talvez, no futuro, nosso termômetro será considerado fundamental para o desenvolvimento da termodinâmica quântica, "diz Marco Scigliuzzo, Doutoranda do Departamento de Microtecnologia e Nanociências, Chalmers University of Technology.