Espera-se que os computadores quânticos revolucionem a maneira como os pesquisadores resolvem problemas difíceis de computação. Esses computadores estão sendo projetados para enfrentar grandes desafios em áreas fundamentais de pesquisa, como a química quântica. Em seu estágio atual de desenvolvimento, a computação quântica ainda é muito sensível a ruídos e fatores disruptivos no ambiente. Isso torna a computação quântica "ruidosa", pois os bits quânticos - ou qubits - perdem informações por ficarem fora de sincronia, um processo chamado decoerência.
Para superar as limitações dos computadores quânticos atuais, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) estão desenvolvendo simulações que fornecem um vislumbre de como os computadores quânticos funcionam.

“Quando tentamos observar diretamente o comportamento de sistemas quânticos, como qubits, seus estados quânticos entrarão em colapso”, disse o cientista da computação do PNNL Ang Li. Li também é pesquisador do Quantum Science Center e do Co-Design Center for Quantum Advantage – dois dos cinco Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia. "Para contornar isso, usamos simulações para estudar qubits e sua interação com o ambiente."

Li e colaboradores do Oak Ridge National Laboratory e da Microsoft usam computação de alto desempenho para desenvolver simuladores que imitam dispositivos quânticos reais para executar circuitos quânticos complexos. Recentemente, eles combinaram dois tipos diferentes de simulações para criar o Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) para testar algoritmos quânticos.

"Testar algoritmos quânticos em dispositivos quânticos é lento e caro. Além disso, alguns algoritmos são muito avançados para dispositivos quânticos atuais", disse Li. “Nossos simuladores quânticos podem nos ajudar a olhar além das limitações dos dispositivos existentes e testar algoritmos para sistemas mais sofisticados”.

Algoritmos para computadores quânticos

Nathan Wiebe, nomeado em conjunto pelo PNNL da Universidade de Toronto e professor afiliado da Universidade de Washington, está adotando outra estratégia ao escrever código para computadores quânticos. Embora às vezes possa ser frustrante ser limitado pelas capacidades dos atuais dispositivos quânticos, Wiebe vê esse desafio como uma oportunidade.

"Circuitos quânticos barulhentos produzem erros nos cálculos", disse Wiebe. "Quanto mais qubits são necessários para um cálculo, mais propenso a erros ele é."

Wiebe e colaboradores da Universidade de Washington desenvolveram novos algoritmos para corrigir esses erros em certos tipos de simulações.

"Este trabalho fornece uma maneira mais barata e rápida de realizar a correção de erros quânticos. Ele potencialmente nos aproxima de demonstrar um exemplo computacionalmente útil de uma simulação quântica para a teoria quântica de campos em hardware quântico de curto prazo", disse Wiebe.

A matéria escura encontra a computação quântica

Enquanto Wiebe procura mitigar o ruído criando algoritmos para correção de erros, o físico Ben Loer e seus colegas procuram o ambiente para controlar fontes externas de ruído.

Loer usa sua experiência para alcançar níveis ultrabaixos de radioatividade natural - necessários para procurar evidências experimentais de matéria escura no universo - para ajudar a evitar a decoerência de qubit.

"A radiação do ambiente, como raios gama e raios X, existe em todos os lugares", disse Loer. “Como os qubits são tão sensíveis, tivemos a ideia de que essa radiação pode estar interferindo em seus estados quânticos”.

Para testar isso, Loer, o líder do projeto Brent VanDevender e o colega John Orrell, em parceria com pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Laboratório Lincoln do MIT, usaram um escudo de chumbo para proteger os qubits da radiação. Eles projetaram o escudo para uso dentro de um refrigerador de diluição - uma tecnologia usada para produzir a temperatura acima de zero absoluto necessária para operar qubits supercondutores. Eles viram que a decoerência do qubit diminuiu quando os qubits foram protegidos.

Embora este seja o primeiro passo para entender como a radiação afeta a computação quântica, Loer planeja analisar como a radiação perturba circuitos e substratos dentro de um sistema quântico. "Podemos simular e modelar essas interações quânticas para ajudar a melhorar o design de dispositivos quânticos", disse Loer.

Loer está levando sua pesquisa de geladeira de diluição blindada de chumbo para o subterrâneo no Laboratório Subterrâneo Shallow da PNNL com a ajuda do químico Marvin Warner da PNNL

“Se desenvolvermos um dispositivo quântico que não funciona como deveria, precisamos ser capazes de identificar o problema”, disse Warner. “Ao proteger os qubits da radiação externa, podemos começar a caracterizar outras fontes potenciais de ruído no dispositivo”. + Explorar mais

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