Muitos dos dispositivos quânticos atuais dependem de coleções de qubits, também chamados de spins. Esses bits quânticos têm apenas dois níveis de energia, o “0” e o “1”. No entanto, os spins em dispositivos reais também interagem com a luz e as vibrações conhecidas como bósons, complicando bastante os cálculos.



Em uma nova publicação em Physical Review Letters , pesquisadores em Amsterdã demonstram uma maneira de descrever sistemas spin-bóson e usar isso para configurar eficientemente dispositivos quânticos em um estado desejado.

Os dispositivos quânticos utilizam o comportamento peculiar das partículas quânticas para realizar tarefas que vão além do que as máquinas “clássicas” podem fazer, incluindo computação quântica, simulação, detecção, comunicação e metrologia. Esses dispositivos podem assumir muitas formas, como uma coleção de circuitos supercondutores ou uma rede de átomos ou íons mantidos no lugar por lasers ou campos elétricos.

Independentemente de sua realização física, os dispositivos quânticos são normalmente descritos em termos simplificados como uma coleção de bits ou spins quânticos de dois níveis interagindo. No entanto, esses spins também interagem com outras coisas ao seu redor, como a luz em circuitos supercondutores ou oscilações na rede de átomos ou íons. Partículas de luz (fótons) e modos vibracionais de uma rede (fônons) são exemplos de bósons.

Ao contrário dos spins, que possuem apenas dois níveis de energia possíveis (“0” ou “1”), o número de níveis para cada bóson é infinito. Consequentemente, existem muito poucas ferramentas computacionais para descrever spins acoplados a bósons.

Em seu novo trabalho, os físicos Liam Bond, Arghavan Safavi-Naini e Jiří Minář da Universidade de Amsterdã, QuSoft e Centrum Wiskunde &Informatica contornam essa limitação descrevendo sistemas compostos de spins e bósons usando os chamados estados não gaussianos. Cada estado não gaussiano é uma combinação (uma superposição) de estados gaussianos muito mais simples.

Cada padrão azul-vermelho na imagem acima representa um possível estado quântico do sistema spin-bóson. “Um estado gaussiano se pareceria com um círculo vermelho simples, sem quaisquer padrões azuis-vermelhos interessantes”, explica o Ph.D. candidato Liam Bond. Um exemplo de estado gaussiano é a luz laser, na qual todas as ondas de luz estão perfeitamente sincronizadas.

"Se pegarmos muitos desses estados gaussianos e começarmos a sobrepô-los (de modo que fiquem em uma superposição), surgirão esses padrões lindamente intrincados. Ficamos particularmente entusiasmados porque esses estados não gaussianos nos permitem reter muitos dos poderosos recursos matemáticos maquinário que existe para estados gaussianos, ao mesmo tempo que nos permite descrever um conjunto muito mais diversificado de estados quânticos", diz Bond.

"Existem tantos padrões possíveis que os computadores clássicos muitas vezes têm dificuldade para computá-los e processá-los. Em vez disso, nesta publicação usamos um método que identifica o mais importante desses padrões e ignora os outros. Isso nos permite estudar esses sistemas quânticos e projetar novas maneiras de preparar estados quânticos interessantes."

A nova abordagem pode ser explorada para preparar estados quânticos de forma eficiente, de uma forma que supere outros protocolos tradicionalmente usados. “A preparação rápida do estado quântico pode ser útil para uma ampla gama de aplicações, como simulação quântica ou mesmo correção de erros quânticos”, observa Bond.

Os pesquisadores também demonstram que podem usar estados não gaussianos para preparar estados quânticos “críticos” que correspondem a um sistema em transição de fase. Além do interesse fundamental, tais estados podem aumentar muito a sensibilidade dos sensores quânticos.

Embora estes resultados sejam muito encorajadores, constituem apenas um primeiro passo em direcção a objectivos mais ambiciosos. Até agora, o método foi demonstrado para uma única rotação. Uma extensão natural, mas desafiadora, é incluir muitos giros e muitos modos bosônicos ao mesmo tempo. Uma direção paralela leva em conta os efeitos do ambiente que perturbam os sistemas spin-bóson. Ambas as abordagens estão em desenvolvimento ativo.