Pesquisadores em tecnologia quântica da Chalmers University of Technology conseguiram desenvolver uma técnica para controlar estados quânticos de luz em uma cavidade tridimensional. Além de criar estados previamente conhecidos, os pesquisadores são os primeiros a demonstrar o estado de fase cúbica há muito procurado. O avanço é um passo importante para a correção de erros eficiente em computadores quânticos.
“Mostramos que nossa tecnologia está no mesmo nível das melhores do mundo”, diz Simone Gasparinetti, chefe de um grupo de pesquisa em física quântica experimental em Chalmers e uma das principais autoras do estudo.

Assim como um computador convencional é baseado em bits que podem assumir o valor 0 ou 1, o método mais comum de construir um computador quântico usa uma abordagem semelhante. Sistemas de mecânica quântica com dois estados quânticos diferentes, conhecidos como bits quânticos (qubits), são usados ​​como blocos de construção. Um dos estados quânticos recebe o valor 0 e o outro o valor 1. No entanto, devido ao estado quântico de superposição, os qubits podem assumir os dois estados 0 e 1 simultaneamente, permitindo que um computador quântico processe grandes volumes de dados com a possibilidade de resolver problemas muito além do alcance dos supercomputadores de hoje.

Primeira vez para o estado de fase cúbica

Um grande obstáculo para a realização de um computador quântico praticamente útil é que os sistemas quânticos usados ​​para codificar as informações são propensos a ruídos e interferências, o que causa erros. Corrigir esses erros é um desafio fundamental no desenvolvimento de computadores quânticos. Uma abordagem promissora é substituir os qubits por ressonadores – sistemas quânticos que, em vez de ter apenas dois estados definidos, possuem um número muito grande deles. Esses estados podem ser comparados a uma corda de violão, que pode vibrar de muitas maneiras diferentes. O método é chamado de computação quântica de variável contínua e permite codificar os valores 1 e 0 em vários estados da mecânica quântica de um ressonador.

No entanto, controlar os estados de um ressonador é um desafio com o qual os pesquisadores quânticos de todo o mundo estão enfrentando. E os resultados de Chalmers fornecem uma maneira de fazer isso. A técnica desenvolvida em Chalmers permite que os pesquisadores gerem praticamente todos os estados quânticos de luz demonstrados anteriormente, como por exemplo o gato de Schrödinger ou os estados de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) e o estado de fase cúbica, um estado anteriormente descrito apenas em teoria.

"O estado de fase cúbica é algo que muitos pesquisadores quânticos tentam criar na prática há vinte anos. O fato de termos conseguido fazer isso pela primeira vez é uma demonstração de como nossa técnica funciona, mas o mais importante avanço é que existem tantos estados de complexidade variável e encontramos uma técnica que pode criar qualquer um deles", diz Marina Kudra, estudante de doutorado do Departamento de Microtecnologia e Nanociência e principal autora do estudo.

Melhoria na velocidade do portão

O ressonador é uma cavidade supercondutora tridimensional feita de alumínio. Superposições complexas de fótons presos dentro do ressonador são geradas pela interação com um circuito supercondutor secundário.

As propriedades mecânicas quânticas dos fótons são controladas pela aplicação de um conjunto de pulsos eletromagnéticos chamados portões. Os pesquisadores primeiro conseguiram usar um algoritmo para otimizar uma sequência específica de portas de deslocamento simples e portas SNAP complexas para gerar o estado dos fótons. Quando os portões complexos provaram ser muito longos, os pesquisadores descobriram uma maneira de reduzi-los usando métodos de controle otimizados para otimizar os pulsos eletromagnéticos.

"A melhoria drástica na velocidade de nossos portões SNAP nos permitiu mitigar os efeitos da decoerência em nosso controlador quântico, levando essa tecnologia um passo à frente. Mostramos que temos controle total sobre nosso sistema de mecânica quântica", diz Simone Gasparinetti.

Ou, para colocar de forma mais poética:

“Eu capturei a luz em um lugar onde ela prospera e a modelei em algumas formas verdadeiramente bonitas”, diz Marina Kudra.

Alcançar este resultado também dependeu da alta qualidade do sistema físico (o próprio ressonador de alumínio e o circuito supercondutor). heating it to 500 degrees Centigrade and washing it with acid and solvent. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.

Research part of WACQT research program

The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.

"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Explore further

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