Qubits são um bloco de construção básico para computadores quânticos, mas também são notoriamente frágeis – difíceis de observar sem apagar suas informações no processo. Agora, uma nova pesquisa da Universidade do Colorado Boulder e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) pode ser um avanço para lidar com qubits com um toque leve.
No estudo, uma equipe de físicos demonstrou que poderia ler os sinais de um tipo de qubit chamado qubit supercondutor usando luz laser e sem destruir o qubit ao mesmo tempo.

Os resultados do grupo podem ser um grande passo para a construção de uma internet quântica, dizem os pesquisadores. Essa rede ligaria dezenas ou até centenas de chips quânticos, permitindo que os engenheiros resolvessem problemas que estão além do alcance até mesmo dos supercomputadores mais rápidos de hoje. Eles também poderiam, teoricamente, usar um conjunto semelhante de ferramentas para enviar códigos inquebráveis ​​por longas distâncias.

O estudo, que será publicado em 15 de junho na revista Nature , foi liderado pelo JILA, um instituto de pesquisa conjunto entre CU Boulder e NIST.

“Atualmente, não há como enviar sinais quânticos entre processadores supercondutores distantes, como enviamos sinais entre dois computadores clássicos”, disse Robert Delaney, principal autor do estudo e ex-aluno de pós-graduação da JILA.

Delaney explicou que os bits tradicionais que executam seu laptop são bastante limitados:eles só podem assumir um valor de zero ou um, os números que fundamentam a maioria da programação de computadores até hoje. Qubits, ao contrário, podem ser zeros, uns ou, por meio de uma propriedade chamada "superposição", existir como zeros e uns ao mesmo tempo.

Mas trabalhar com qubits também é um pouco como tentar pegar um floco de neve em sua mão quente. Mesmo a menor perturbação pode desmoronar essa superposição, fazendo com que pareçam bits normais.

No novo estudo, Delaney e seus colegas mostraram que poderiam contornar essa fragilidade. A equipe usa um pedaço fino de silício e nitrogênio para transformar o sinal que sai de um qubit supercondutor em luz visível – o mesmo tipo de luz que já transporta sinais digitais de cidade em cidade através de cabos de fibra óptica.

"Os pesquisadores fizeram experimentos para extrair luz óptica de um qubit, mas não interromper o qubit no processo é um desafio", disse a coautora do estudo Cindy Regal, pesquisadora do JILA e professora associada de física na CU Boulder.

Salto quântico

Há muitas maneiras diferentes de fazer um qubit, acrescentou ela.

Alguns cientistas montaram qubits prendendo um átomo na luz do laser. Outros experimentaram incorporar qubits em diamantes e outros cristais. Empresas como IBM e Google começaram a projetar chips de computador quânticos usando qubits feitos de supercondutores.

Supercondutores são materiais que os elétrons podem acelerar sem resistência. Sob as circunstâncias certas, os supercondutores emitirão sinais quânticos na forma de minúsculas partículas de luz, ou “fótons”, que oscilam em frequências de micro-ondas.

E é aí que começa o problema, disse Delaney.

Para enviar esses tipos de sinais quânticos a longas distâncias, os pesquisadores precisariam primeiro converter fótons de micro-ondas em fótons de luz visível, ou ópticos, que podem zunir com relativa segurança por meio de redes de cabos de fibra óptica pela cidade ou mesmo entre cidades. Mas quando se trata de computadores quânticos, alcançar essa transformação é complicado, disse o coautor do estudo, Konrad Lehnert.

Em parte, isso ocorre porque uma das principais ferramentas que você precisa para transformar fótons de micro-ondas em fótons ópticos é a luz do laser, e os lasers são o inimigo dos qubits supercondutores. Se mesmo um fóton perdido de um feixe de laser atingir seu qubit, ele será apagado completamente.

“A fragilidade dos qubits e a incompatibilidade essencial entre supercondutores e luz laser geralmente impedem esse tipo de leitura”, disse Lehnert, membro do NIST e JILA.

Códigos secretos

Para contornar esse obstáculo, a equipe recorreu a um intermediário:um fino pedaço de material chamado transdutor eletro-óptico.

Delaney explicou que a equipe começa zapping esse wafer, que é muito pequeno para ser visto sem um microscópio, com luz laser. Quando os fótons de micro-ondas de um qubit colidem com o dispositivo, ele oscila e cospe mais fótons – mas esses agora oscilam em uma frequência completamente diferente. A luz do micro-ondas entra e a luz visível sai

No último estudo, os pesquisadores testaram seu transdutor usando um qubit supercondutor real. Eles descobriram que o material fino poderia alcançar esse switcheroo, ao mesmo tempo em que efetivamente mantinha esses inimigos mortais, qubits e lasers, isolados uns dos outros. Em outras palavras, nenhum dos fótons da luz do laser vazou de volta para interromper o supercondutor.

"Nosso transdutor eletro-óptico não tem muito efeito no qubit", disse Delaney.

A equipe não chegou ao ponto em que pode transmitir informações quânticas reais por meio de seu transdutor. Entre outros problemas, o dispositivo ainda não é particularmente eficiente. São necessários cerca de 500 fótons de micro-ondas, em média, para produzir um único fóton de luz visível.

Os pesquisadores estão trabalhando atualmente para melhorar essa taxa. Assim que o fizerem, novas possibilidades podem surgir no reino quântico. Os cientistas poderiam, teoricamente, usar um conjunto semelhante de ferramentas para enviar sinais quânticos por cabos que apagariam automaticamente suas informações quando alguém tentasse ouvir.

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