Os físicos há muito suspeitam que os materiais dielétricos podem interromper significativamente os computadores quânticos com armadilhas de íons. Agora, pesquisadores liderados por Tracy Northup desenvolveram um novo método para quantificar essa fonte de erro pela primeira vez. Para a operação futura de computadores quânticos com muitos bits quânticos, tais fontes de ruído precisam ser eliminadas já durante o processo de design, se possível.

As tecnologias quânticas são baseadas nas propriedades quânticas da luz, elétrons, e átomos. Nas décadas recentes, os cientistas aprenderam a dominar esses fenômenos e a explorá-los em aplicações. Assim, a construção de um computador quântico para aplicações comerciais também está chegando. Uma das tecnologias emergentes que está sendo desenvolvida com muito sucesso são os computadores quânticos íon trap. Aqui, partículas carregadas são presas com campos eletromagnéticos em uma câmara de vácuo e preparadas de tal forma que podem servir como transportadoras de informações e serem usadas para computação, que inclui resfriá-los às temperaturas mais baixas permitidas pela mecânica quântica.

Contudo, as propriedades da mecânica quântica exploradas neste processo são altamente sujeitas a erros. Mesmo as menores deficiências podem aquecer as partículas fortemente resfriadas e, assim, levar a erros no processamento da informação quântica. As possíveis fontes de tais falhas são materiais fracamente condutores ou não condutores, que são usados, por exemplo, como isolantes em uma armadilha de íons metálicos, ou ótica, que são necessários para o acoplamento de íons com luz laser.

"Mesmo para armadilhas de íons feitas exclusivamente de metal, camadas de óxido nos metais causariam tais falhas, "explica Tracy Northup, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, na Áustria. A equipe de Northup, junto com colaboradores em Innsbruck e nos EUA, descobriram uma maneira de determinar a influência dos materiais dielétricos nas partículas carregadas em armadilhas de íons.

Confirmado experimentalmente

Isso foi conseguido porque os físicos quânticos de Innsbruck têm uma armadilha de íons na qual podem definir com precisão a distância entre os íons e a óptica dielétrica. Com base em uma proposta anterior do grupo de Rainer Blatt, os físicos calcularam a quantidade de ruído causado pelo material dielétrico para esta armadilha iônica e compararam com os dados do experimento. "Teoria e experimento concordam muito bem, confirmando que este método é bem adequado para determinar a influência de materiais dielétricos sobre os íons, "explica Markus Teller da equipe de Innsbruck. Para calcular o ruído, o chamado teorema de flutuação-dissipação da física estatística foi usado, que descreve matematicamente a resposta de um sistema em equilíbrio térmico a uma pequena perturbação externa.

"Em computadores quânticos, existem muitas fontes possíveis de ruído, e é muito difícil separar as fontes exatas, "diz Tracy Northup." Nosso método é o primeiro a quantificar a influência dos materiais dielétricos em uma determinada armadilha de íons nas partículas carregadas. No futuro, os projetistas de computadores quânticos com armadilhas de íons serão capazes de avaliar esse efeito com muito mais precisão e projetar seus dispositivos para minimizar essas perturbações. "

Depois de ter demonstrado com sucesso o método em sua própria armadilha de íons, os físicos de Innsbruck agora querem aplicá-lo às armadilhas iônicas de colaboradores nos EUA e na Suíça.