Equação mestre para impulsionar tecnologias quânticas

Ilustração de uma configuração genérica de medição e feedback, consistindo em um sistema quântico aberto e um detector com largura de banda finita γ. O detector mede continuamente um sistema arbitrário observável. A força de medição λ determina a ação de retorno da medição. O feedback contínuo é aplicado usando o resultado da medição D para controlar o superoperador de Liouville L(D) do sistema. Os traços de tempo visualizam trajetórias para o estado do sistema S(t) e o registro de medição D(t) . Crédito:Cartas de Revisão Física (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.050401

À medida que o tamanho da tecnologia moderna diminui para a nanoescala, efeitos quânticos estranhos – como tunelamento quântico, superposição e emaranhamento – tornam-se proeminentes. Isso abre as portas para uma nova era de tecnologias quânticas, onde os efeitos quânticos podem ser explorados. Muitas tecnologias cotidianas fazem uso do controle de feedback rotineiramente; um exemplo importante é o marcapasso, que deve monitorar os batimentos cardíacos do usuário e aplicar sinais elétricos para controlá-los, apenas quando necessário. Mas os físicos ainda não têm uma compreensão equivalente do controle de feedback no nível quântico. Agora, os físicos desenvolveram uma "equação mestra" que ajudará os engenheiros a entender o feedback na escala quântica. Seus resultados são publicados na revista Physical Review Letters .
“É vital investigar como o controle de feedback pode ser usado em tecnologias quânticas para desenvolver métodos eficientes e rápidos para controlar sistemas quânticos, para que possam ser dirigidos em tempo real e com alta precisão”, diz o coautor Björn Annby- Andersson, físico quântico da Universidade de Lund, na Suécia.

Um exemplo de um processo crucial de controle de feedback na computação quântica é a correção de erros quânticos. Um computador quântico codifica informações em qubits físicos, que podem ser fótons de luz ou átomos, por exemplo. Mas as propriedades quânticas dos qubits são frágeis, então é provável que as informações codificadas sejam perdidas se os qubits forem perturbados por vibrações ou campos eletromagnéticos flutuantes. Isso significa que os físicos precisam ser capazes de detectar e corrigir esses erros, por exemplo, usando controle de feedback. Essa correção de erros pode ser implementada medindo o estado dos qubits e, caso seja detectado um desvio do esperado, aplicando feedback para corrigi-lo.

Mas o controle de feedback no nível quântico apresenta desafios únicos, precisamente por causa da fragilidade que os físicos estão tentando mitigar. Essa natureza delicada significa que mesmo o próprio processo de feedback pode destruir o sistema. "É necessário apenas interagir fracamente com o sistema medido, preservando as propriedades que queremos explorar", diz Annby-Andersson.

Portanto, é importante desenvolver uma compreensão teórica completa do controle de feedback quântico, para estabelecer seus limites fundamentais. Mas a maioria dos modelos teóricos existentes de controle de feedback quântico requer simulações de computador, que normalmente fornecem apenas resultados quantitativos para sistemas específicos. "É difícil tirar conclusões gerais e qualitativas", diz Annby-Andersson. "Os poucos modelos que podem fornecer compreensão qualitativa são aplicáveis apenas em uma classe restrita de sistemas controlados por feedback - esse tipo de feedback é normalmente chamado de feedback linear."

'Caneta e papel'

Annby-Andersson e seus colegas desenvolveram agora uma equação mestre, chamada de "equação quântica de Fokker-Planck", que permite que os físicos acompanhem a evolução de qualquer sistema quântico com controle de feedback ao longo do tempo. "A equação pode descrever cenários que vão além do feedback linear", diz Annby-Andersson. "Em particular, a equação pode ser resolvida com caneta e papel, em vez de depender de simulações de computador."

A equipe testou sua equação aplicando-a a um modelo de feedback simples. Isso confirmou que a equação fornece resultados fisicamente sensíveis e também demonstrou como a energia pode ser coletada em sistemas microscópicos, usando controle de feedback. "A equação é um ponto de partida promissor para estudos futuros de como a energia pode ser manipulada com a ajuda de informações em nível microscópico", diz Annby-Andersson.

A equipe agora está investigando um sistema que faz uso de feedback para manipular energia em "pontos quânticos" - minúsculos cristais semicondutores com apenas bilionésimos de metro de diâmetro. “Uma direção futura importante é usar a equação como uma ferramenta para inventar novos protocolos de feedback que podem ser usados para tecnologias quânticas”, diz Annby-Andersson. + Explorar mais