Se você já tentou conversar em uma sala barulhenta, poderá se relacionar com os cientistas e engenheiros que tentam "ouvir" os sinais de dispositivos experimentais de computação quântica chamados qubits. Essas unidades básicas dos computadores quânticos estão no início de seu desenvolvimento e permanecem temperamentais, sujeitas a todo tipo de interferência. O "ruído" disperso pode se disfarçar como um qubit em funcionamento ou até torná-lo inoperável.
É por isso que o físico Christian Boutan e seus colegas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) estavam em modo de celebração recentemente ao exibirem o primeiro qubit supercondutor funcional do PNNL. Não é muito para olhar. Sua caixa – do tamanho de um pacote de chiclete – é conectada a fios que transmitem sinais para um painel próximo de receptores de radiofrequência personalizados. Mas o mais importante é que está aninhado dentro de um casulo de ouro brilhante chamado refrigerador de diluição e protegido contra sinais elétricos dispersos. Quando a geladeira está funcionando, está entre os lugares mais frios da Terra, muito perto do zero absoluto, menos de 6 milikelvin (cerca de -460 graus F).

O frio extremo e o isolamento transformam o dispositivo supercondutor sensível em um qubit funcional e retardam o movimento dos átomos que destruiriam o estado do qubit. Em seguida, os pesquisadores ouvem um sinal característico, um sinal em seus receptores de radiofrequência. O blip é semelhante aos sinais de radar que os militares usam para detectar a presença de aeronaves. Assim como os sistemas de radar tradicionais transmitem ondas de rádio e depois ouvem as ondas de retorno, os físicos do PNNL usaram uma técnica de detecção de baixa temperatura para "ouvir" a presença de um qubit transmitindo sinais cuidadosamente elaborados e decodificando a mensagem de retorno.

"Você está sussurrando para o qubit e ouvindo o ressonador", disse Boutan, que montou o primeiro teste de qubit do PNNL. "Se você atingir a frequência certa com um sinal enviado ao qubit, verá o pico do deslocamento do ressonador. O estado do qubit altera a frequência do ressonador. Esse é o deslocamento do sinal que estamos ouvindo."

Isso não está medindo diretamente o sinal quântico, mas procurando o rastro que ele deixa para trás. Uma das muitas esquisitices da computação quântica é que os cientistas não podem medir o estado quântico diretamente. Em vez disso, eles investigam seu impacto no ambiente estrategicamente preparado ao seu redor. É por isso que a experiência do PNNL em transmissão de radiofrequência e detecção de sinal tem sido essencial, disse Boutan. Qualquer ruído de fundo descontrolado pode destruir a coerência do qubit.

Todo esse cuidado especial é necessário porque os sinais quânticos que a equipe de pesquisa está tentando detectar e registrar podem ser facilmente inundados pelo "ruído" concorrente de uma variedade de fontes, incluindo os materiais no próprio qubit.

Foco quântico

É o início da computação quântica. Protótipos existentes, como o que opera no laboratório de física do PNNL, podem ser comparados ao computador pessoal Macintosh quando o fundador da Apple, Steve Jobs, e seus amigos saíram de sua garagem. Exceto que o investimento e as apostas são muito maiores neste estágio da era da computação quântica.

Os cientistas estão particularmente focados no potencial dos computadores quânticos para resolver problemas urgentes de produção, uso e sustentabilidade de energia. É por isso que o investimento do governo dos EUA totaliza mais de US $ 1 bilhão por meio da Iniciativa Nacional Quântica e dos Centros de Pesquisa Nacional de Ciência da Informação Quântica (QIS) do Departamento de Energia, que estão focados em impulsionar a ciência da computação quântica.

O PNNL, que está contribuindo para três dos cinco centros QIS, está trabalhando em vários aspectos das ciências da informação quântica, incluindo revelar e eliminar as fontes de interferência e ruído que tiram os qubits do estado útil chamado "coerência", escrevendo códigos de computador que aproveitar esses computadores quânticos e melhorar o design do material e a construção dos próprios qubits. A pesquisa de Boutan sobre detecção quântica de microondas é apoiada pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do PNNL.

O cuidado e alimentação de qubits

Qubits supercondutores são feitos de metais exóticos que reagem com o oxigênio na atmosfera, criando óxidos metálicos. Você já viu isso acontecer quando o ferro se transforma em ferrugem.

"É um problema de materiais", disse Brent VanDevender, físico do PNNL que trabalha com fontes de interferência em qubits. "Nós os chamamos de sistemas de dois níveis. O termo se refere a todos os defeitos em seu material, como os óxidos, que podem imitar o comportamento do qubit e roubar energia."

O cientista de materiais do PNNL Peter Sushko e seus colegas estão trabalhando no desafio de parar a "ferrugem" do qubit com colaboradores da Universidade de Princeton por meio de sua afiliação ao C2QA QIS Center. Lá, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um dos qubits mais duráveis ​​já relatados. E, no entanto, óxidos metálicos se formam rapidamente na superfície exposta desses dispositivos qubit supercondutores.

Trabalhando com seus colaboradores de Princeton, Sushko e sua equipe propuseram um revestimento protetor que pode interferir no oxigênio do ar interagindo com a superfície dos qubits e fazendo com que eles oxidem.

"Nosso objetivo é remover a desordem e ser compatível com a estrutura subjacente", disse Sushko. “Estamos olhando para uma camada protetora que ficará no topo de maneira ordenada e evitará a oxidação, minimizando os efeitos da desordem”.

Esta pesquisa se baseia na pesquisa fundamental do cientista de materiais do PNNL Marvin Warner e colegas. Eles estão construindo um corpo de conhecimento sobre como proteger dispositivos supercondutores à base de metal sensíveis, aplicando um micro-revestimento que protege efetivamente a superfície contra danos que podem afetar o desempenho.

"Controlar a química da superfície para proteger as propriedades quânticas emergentes de um material é uma abordagem importante para o desenvolvimento de dispositivos mais estáveis ​​e robustos", disse Warner. "Ele se encaixa perfeitamente nos pontos fortes do PNNL como laboratório de química."

Em breve, a equipe construirá a solução proposta no Laboratório de Nanofabricação de Dispositivos Quânticos da Universidade de Princeton. Uma vez construído, ele passará por uma série de testes. Se for bem-sucedido, o qubit pode estar pronto para testes rigorosos de sua longevidade quando confrontado com o bombardeio destruidor de coerência do qubit pela radiação atmosférica, também conhecida como raios cósmicos.

Indo para o subsolo

Você pode contar em uma mão o número de lugares nos Estados Unidos configurados para estudar a fidelidade do qubit em um ambiente subterrâneo bem blindado. Em breve o PNNL estará entre eles. Os preparativos estão em andamento para estabelecer uma instalação subterrânea de teste de qubit dentro do Laboratório Subterrâneo Raso do PNNL. Décadas de pesquisa sobre os efeitos da radiação ionizante prepararam os cientistas do PNNL para estabelecer quão bem os dispositivos quânticos podem tolerar a interferência do bombardeio por fontes naturais de radiação. Aqui, pesquisadores e técnicos estão ocupados montando um refrigerador de diluição semelhante ao do laboratório de física do PNNL.

Dentro de uma sala ultralimpa com síntese de material ultrapura líder mundial e detecção de radiação de fundo ultrabaixa, os qubits experimentais serão testados em um ambiente blindado de chumbo personalizado que reduz os raios gama externos em mais de 99%.

Dentro de um ano, o PNNL estará preparado para completar o ciclo completo de testes de qubit, desde design e teoria, microfabricação, testes ambientais e implantação com parceiros de pesquisa.

“Computadores quânticos totalmente funcionais só serão úteis quando se tornarem confiáveis”, disse Warner. "Com nossos parceiros de pesquisa, estamos nos preparando hoje para ajudar a inaugurar essa era hoje." + Explorar mais

Desenvolvendo a próxima geração de algoritmos e materiais quânticos