A pesquisa realizada no Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" (ML4Q) analisou estruturas de dispositivos de ponta de computadores quânticos para demonstrar que alguns deles estão de fato operando perigosamente perto de um limiar de colapso caótico. O desafio é caminhar em uma linha tênue entre desordem muito alta, mas também muito baixa para proteger a operação do dispositivo. O estudo foi publicado hoje na Nature Communications .
Na corrida pelo que pode se tornar uma tecnologia chave no futuro, gigantes da tecnologia como IBM e Google estão investindo enormes recursos no desenvolvimento de hardware de computação quântica. No entanto, as plataformas atuais ainda não estão prontas para aplicações práticas. Restam vários desafios, entre eles o controle de imperfeições do dispositivo ("desordem").

É uma velha precaução de estabilidade:quando grandes grupos de pessoas cruzam pontes, eles precisam evitar marchar em passo para evitar a formação de ressonâncias desestabilizando a construção. Talvez contra-intuitivamente, o processador qubit transmon supercondutor - uma plataforma tecnologicamente avançada para computação quântica favorecida pela IBM, Google e outros consórcios - baseia-se no mesmo princípio:a desordem introduzida intencionalmente bloqueia a formação de flutuações caóticas ressonantes, tornando-se uma parte essencial do produção de processadores multi-qubit.

Para entender esse ponto aparentemente paradoxal, deve-se pensar em um qubit transmon como uma espécie de pêndulo. Qubits interligados para formar uma estrutura de computação definem um sistema de pêndulos acoplados – um sistema que, como os pêndulos clássicos, pode ser facilmente excitado para oscilações incontrolavelmente grandes com consequências desastrosas. No mundo quântico, tais oscilações incontroláveis ​​levam à destruição da informação quântica; o computador fica inutilizável. 'Dessintonizações' locais intencionalmente introduzidas de pêndulos simples mantêm tais fenômenos afastados.

“O chip transmon não apenas tolera, mas na verdade requer imperfeições efetivamente aleatórias do dispositivo qubit-a-qubit”, explicou Christoph Berke, estudante de doutorado do grupo de Simon Trebst na Universidade de Colônia e primeiro autor do artigo. "Em nosso estudo, perguntamos o quão confiável o princípio da 'estabilidade por aleatoriedade' é na prática. arquiteturas de sistema perseguidas estão perigosamente próximas da instabilidade."

Do ponto de vista da física quântica fundamental, um processador transmon é um sistema quântico de muitos corpos com níveis de energia quantizados. Ferramentas numéricas de última geração permitem calcular esses níveis discretos em função de parâmetros relevantes do sistema, para obter padrões que se assemelham superficialmente a um emaranhado de espaguete cozido. Uma análise cuidadosa de tais estruturas para chips Google e IBM modelados de forma realista foi uma das várias ferramentas de diagnóstico aplicadas no artigo para mapear um diagrama de estabilidade para computação quântica transmon.

"Quando comparamos o Google com os chips da IBM, descobrimos que, no último caso, os estados de qubit podem ser acoplados a um grau que as operações de portão controladas podem ser comprometidas", disse Simon Trebst, chefe do grupo de Física da Matéria Condensada Computacional da Universidade. de Colônia. A fim de garantir operações de portão controladas, é preciso atingir o equilíbrio sutil entre estabilizar a integridade do qubit e permitir o acoplamento entre os qubits. No jargão da preparação da massa, é preciso preparar o processador do computador quântico na perfeição, mantendo os estados de energia 'al dente' e evitando seu emaranhado por cozimento excessivo.

O estudo da desordem em hardware transmon foi realizado como parte do Cluster of Excellence ML4Q em um trabalho colaborativo entre os grupos de pesquisa de Simon Trebst e Alexander Altland na Universidade de Colônia e o grupo de David DiVincenzo na RWTH Aachen University e Forschungszentrum Jülich. "Este projeto colaborativo é bastante único", diz Alexander Altland, do Instituto de Física Teórica de Colônia. “Nosso conhecimento complementar de hardware transmon, simulação numérica de sistemas complexos de muitos corpos e caos quântico foi o pré-requisito perfeito para entender como a informação quântica com desordem pode ser protegida. -escalas de design relevantes."

David DiVincenzo, diretor fundador do JARA-Institute for Quantum Information da RWTH Aachen University, chega à seguinte conclusão:"Nosso estudo demonstra o quão importante é para os desenvolvedores de hardware combinar a modelagem de dispositivos com a metodologia de aleatoriedade quântica para integrar 'diagnóstico de caos' como parte rotineira do design do processador qubit na plataforma supercondutora." + Explorar mais

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