Conceito experimental. um , Esquema para um exemplo de subsistema X de quatro qubits dentro de uma rede de 16 qubits. O subsistema tem volume 4 (locais marrons) e área 8 (linhas laranja). b , Rede 2D HCBH emulada pelo circuito quântico supercondutor. Cada sítio pode ser ocupado por, no máximo, uma única partícula. c , Energia E espectro da rede HCBH emulado pelo nosso dispositivo, mostrado no quadro rotativo ressonante com os locais da rede. O espectro de energia é dividido em setores distintos definidos pelo número total de partículas n . d , Dimensionamento da entropia de emaranhamento S com volume do subsistema V para um estado próprio no centro do espectro de energia (linha laranja, correspondendo ao estado próprio de energia destacado pelo oval laranja em c ) e um estado próprio na borda do espectro de energia (linha azul-petróleo, correspondente ao estado próprio de energia destacado pelo oval azul-petróleo em c ). e , Mudança no comportamento do emaranhamento, quantificado pela razão de entropia geométrica s V /s A , para estados com n = 8.f , Esquema para a amostra flip-chip que consiste em 16 qubits supercondutores. g ,h , Imagens ópticas da camada qubit (g ) e a camada intermediária (h ) são ilustrados com os qubits e as diferentes linhas de sinal com cores falsas. Barras de escala, 1 mm. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07325-z O emaranhamento é uma forma de correlação entre objetos quânticos, como partículas em escala atômica. As leis da física clássica não podem explicar este fenómeno exclusivamente quântico, mas é uma das propriedades que explicam o comportamento macroscópico dos sistemas quânticos.
Como o emaranhamento é fundamental para a forma como os sistemas quânticos funcionam, compreendê-lo melhor poderia dar aos cientistas uma noção mais profunda de como a informação é armazenada e processada eficientemente em tais sistemas.
Qubits, ou bits quânticos, são os blocos de construção de um computador quântico. No entanto, é extremamente difícil criar estados emaranhados específicos em sistemas de muitos qubits, e muito menos investigá-los. Há também uma variedade de estados emaranhados e diferenciá-los pode ser um desafio.
Agora, pesquisadores do MIT demonstraram uma técnica para gerar com eficiência o emaranhamento entre uma série de qubits supercondutores que exibem um tipo específico de comportamento.
Nos últimos anos, os pesquisadores do grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) desenvolveram técnicas usando tecnologia de microondas para controlar com precisão um processador quântico composto por circuitos supercondutores. Além dessas técnicas de controle, os métodos introduzidos neste trabalho permitem que o processador gere com eficiência estados altamente emaranhados e mude esses estados de um tipo de emaranhamento para outro - inclusive entre tipos que têm maior probabilidade de suportar aceleração quântica e aqueles que não são.
"Aqui, estamos demonstrando que podemos utilizar os processadores quânticos emergentes como uma ferramenta para aprofundar nossa compreensão da física. Embora tudo o que fizemos neste experimento tenha sido em uma escala que ainda pode ser simulada em um computador clássico, temos um bom roteiro para dimensionar esta tecnologia e metodologia além do alcance da computação clássica", diz Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, o principal autor do artigo.
A pesquisa aparece na Nature .
Avaliando o emaranhamento
Num grande sistema quântico compreendendo muitos qubits interligados, pode-se pensar no emaranhamento como a quantidade de informação quântica partilhada entre um determinado subsistema de qubits e o resto do sistema maior.
O emaranhado dentro de um sistema quântico pode ser categorizado como lei de área ou lei de volume com base em como essa informação compartilhada se adapta à geometria dos subsistemas. No emaranhamento da lei de volume, a quantidade de emaranhamento entre um subsistema de qubits e o resto do sistema cresce proporcionalmente ao tamanho total do subsistema.
Por outro lado, o emaranhamento da lei de área depende de quantas conexões compartilhadas existem entre um subsistema de qubits e o sistema maior. À medida que o subsistema se expande, a quantidade de emaranhamento só aumenta ao longo da fronteira entre o subsistema e o sistema maior.
Em teoria, a formação do emaranhamento da lei dos volumes está relacionada com o que torna a computação quântica tão poderosa.
"Embora ainda não tenhamos abstraído completamente o papel que o emaranhamento desempenha nos algoritmos quânticos, sabemos que gerar emaranhamento de lei de volume é um ingrediente chave para obter uma vantagem quântica", diz Oliver.
No entanto, o emaranhamento da lei de volume também é mais complexo do que o emaranhamento da lei de área e praticamente proibitivo em escala para simular usando um computador clássico.
“À medida que você aumenta a complexidade do seu sistema quântico, fica cada vez mais difícil simulá-lo com computadores convencionais. Se eu estiver tentando acompanhar totalmente um sistema com 80 qubits, por exemplo, precisarei armazenar mais informações do que aquilo que armazenamos ao longo da história da humanidade", diz Karamlou.
Os pesquisadores criaram um processador quântico e um protocolo de controle que lhes permitiu gerar e investigar ambos os tipos de emaranhamento de forma eficiente.
Seu processador compreende circuitos supercondutores, que são usados para projetar átomos artificiais. Os átomos artificiais são utilizados como qubits, que podem ser controlados e lidos com alta precisão por meio de sinais de micro-ondas.
O dispositivo utilizado para este experimento continha 16 qubits dispostos em uma grade bidimensional. Os pesquisadores ajustaram cuidadosamente o processador para que todos os 16 qubits tivessem a mesma frequência de transição. Em seguida, eles aplicaram um drive de micro-ondas adicional a todos os qubits simultaneamente.
Se esse drive de micro-ondas tiver a mesma frequência dos qubits, ele gerará estados quânticos que exibem emaranhamento de lei de volume. No entanto, à medida que a frequência de micro-ondas aumenta ou diminui, os qubits exibem menos emaranhamento de lei de volume, eventualmente passando para estados emaranhados que seguem cada vez mais uma escala de lei de área.
Controle cuidadoso
"Nosso experimento é um tour de force das capacidades dos processadores quânticos supercondutores. Em um experimento, operamos o processador tanto como um dispositivo de simulação analógico, permitindo-nos preparar estados com diferentes estruturas de emaranhamento de forma eficiente, quanto como um dispositivo de computação digital, necessário para medir a escala de emaranhamento resultante", diz Rosen.
Para permitir esse controle, a equipe trabalhou anos na construção cuidadosa da infraestrutura em torno do processador quântico.
Ao demonstrar o cruzamento da lei do volume para o emaranhamento da lei da área, os pesquisadores confirmaram experimentalmente o que os estudos teóricos haviam previsto. Mais importante ainda, este método pode ser usado para determinar se o emaranhamento em um processador quântico genérico é lei de área ou lei de volume.
"O experimento do MIT ressalta a distinção entre emaranhamento de lei de área e lei de volume em simulações quânticas bidimensionais usando qubits supercondutores. Isso complementa lindamente nosso trabalho sobre tomografia hamiltoniana de emaranhamento com íons presos em uma publicação paralela publicada na Nature em 2023", diz Peter Zoller, professor de física teórica na Universidade de Innsbruck, que não esteve envolvido neste trabalho.
“Quantificar o emaranhamento em grandes sistemas quânticos é uma tarefa desafiadora para computadores clássicos, mas um bom exemplo de onde a simulação quântica pode ajudar”, diz Pedram Roushan, do Google, que também não esteve envolvido no estudo.
"Usando uma matriz 2D de qubits supercondutores, Karamlou e colegas foram capazes de medir a entropia de emaranhamento de vários subsistemas de vários tamanhos. Eles medem as contribuições da lei de volume e da lei de área para a entropia, revelando o comportamento cruzado à medida que a energia do estado quântico do sistema é ajustada . Isso demonstra de forma poderosa os insights únicos que os simuladores quânticos podem oferecer."
No futuro, os cientistas poderão utilizar esta técnica para estudar o comportamento termodinâmico de sistemas quânticos complexos, que é demasiado complexo para ser estudado usando os métodos analíticos atuais e praticamente proibitivo de simular até mesmo nos supercomputadores mais poderosos do mundo.
“As experiências que fizemos neste trabalho podem ser usadas para caracterizar ou avaliar sistemas quânticos de grande escala, e também podemos aprender algo mais sobre a natureza do emaranhamento nestes sistemas de muitos corpos”, diz Karamlou.
