O maior desafio no desenvolvimento do computador quântico consiste no ruído magnético e elétrico que perturba o efeito quântico, e por isso o processador QPU (Unidade de Processamento Quântico) é resfriado até a temperatura mais baixa possível logo acima do ponto zero absoluto de -273 graus. Isso acontece no criostato, que pode ser visto na foto. O processador está localizado na parte inferior do criostato. Crédito:Ola J. Joensen, NBI Cientistas de todo o mundo trabalham arduamente para eliminar o ruído dos sistemas quânticos, o que pode perturbar o funcionamento dos poderosos computadores quânticos de amanhã. Pesquisadores do Instituto Niels Bohr (NBI) descobriram uma maneira de usar o ruído para processar informações quânticas. Isso aumenta o desempenho da unidade de computação quântica, o qubit.
Uma colaboração internacional liderada por cientistas do Instituto Niels Bohr (NBI), da Universidade de Copenhaga, demonstrou uma abordagem alternativa. Seu método permite usar ruído para processar informações quânticas. Como resultado, o desempenho da unidade fundamental de informação da computação quântica, o qubit, é aumentado em 700%.
Estes resultados são publicados na revista Nature Communications .
"Evitar ruído em sistemas quânticos tem se mostrado difícil, já que quase qualquer mudança no ambiente pode estragar as coisas. Por exemplo, seu sistema pode estar operando em um determinado campo magnético ou elétrico, e se esse campo mudar apenas ligeiramente, os efeitos quânticos desmoronarão.
"Sugerimos uma abordagem completamente diferente. Em vez de nos livrarmos do ruído, usamos vigilância contínua do ruído em tempo real e adaptamos o sistema à medida que ocorrem mudanças no ambiente", diz Ph.D. Pesquisador do NBI Fabrizio Berritta, autor principal do estudo.
A nova abordagem é possível graças aos recentes desenvolvimentos em vários campos de alta tecnologia.
"Anteriormente, digamos, há 20 anos, teria sido possível visualizar as flutuações após o experimento, mas teria sido muito lento utilizar essas informações durante o experimento real. Usamos tecnologia FPGA [field-programable-gate-array] para obter as medições em tempo real. Além disso, usamos aprendizado de máquina para agilizar a análise”, explica Berritta.
“A ideia é obter as medições e fazer a análise no mesmo microprocessador que ajusta o sistema em tempo real. Caso contrário, o esquema não seria rápido o suficiente para aplicações de computação quântica”.
Propriedades quânticas agregam valor
Na computação atual, a unidade básica de informação transferível, conhecida como bit, está ligada à carga dos elétrons. Ele pode ter apenas um de dois valores, um ou zero – ou há elétrons ou não. A unidade de computação quântica correspondente – conhecida como qubit – será capaz de assumir mais de dois valores.
A quantidade de informações contidas por qubit aumentará exponencialmente com o número de propriedades quânticas que alguém é capaz de controlar, talvez resultando em computadores que um dia serão incrivelmente mais poderosos do que os computadores convencionais.
Uma pedra angular da mecânica quântica é que as partículas elementares não tenham apenas massa e carga, mas também spin. Outro termo-chave é emaranhamento. Aqui, duas ou mais partículas interagem de tal forma que o estado quântico de uma única partícula não pode ser descrito independentemente do estado da(s) outra(s).
O protocolo por trás das novas descobertas integra um qubit de spin singleto-tripleto implementado em um ponto quântico duplo de arsenieto de gálio com controladores qubit alimentados por FPGA. O qubit envolve dois elétrons, com os estados de ambos os elétrons emaranhados.
Um qubit é a computação quântica avançada equivalente a um bit. O qubit do projeto consiste em dois elétrons presos em um cristal. O spin dos elétrons (aqui um tem spin para baixo, o outro para cima) pode ser controlado alterando o gradiente do campo magnético ΔBz. No entanto, tanto o ruído magnético quanto o elétrico afetam esse gradiente. Um microprocessador FPGA (Field-Programable Gate Array) mede continuamente o nível de ruído e se ajusta às mudanças em tempo real. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0
Esforço da equipe interdisciplinar
Assim como outros qubits de spin, o qubit singleto-tripleto é vulnerável até mesmo a pequenos distúrbios em seu ambiente. Os físicos usam o termo “ruído”, que não deve ser interpretado literalmente como ruído acústico. Em relação aos sistemas quânticos, perturbações como flutuações do campo elétrico ou magnético podem prejudicar o(s) estado(s) quântico(s) de interesse.
Para demonstrar o uso benéfico das flutuações ambientais, os pesquisadores escolheram este qubit porque seu acoplamento ao ruído magnético e ao ruído elétrico é bem compreendido a partir de uma série de estudos anteriores no NBI, liderados pelo professor Ferdinand Kuemmeth, liderando um grupo de pesquisa em semicondutores e supercondutores. dispositivos quânticos no NBI.
O novo estudo reuniu grupos de pesquisa da NBI, Universidade de Purdue, Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, empresas QDevil (Copenhague) e Quantum Machines (Tel Aviv) em uma variedade de campos, como materiais qubit, fabricação de qubit, hardware de controle de qubit, teoria da informação quântica e aprendizado de máquina.
“Esta colaboração ilustra que o desenvolvimento de computadores quânticos não é mais uma atividade que pode ser conduzida por grupos individuais de física. Se retirarmos qualquer um dos nossos parceiros, este trabalho não teria sido possível”, diz Kuemmeth.
Uma melhor abordagem ao ruído
Os pesquisadores veem o novo protocolo como um marco no desenvolvimento de computadores quânticos, mas também percebem que muitos outros marcos devem ser alcançados.
“O próximo passo para nós será aplicar nosso protocolo a sistemas de diferentes materiais e com mais de um qubit”, diz Berritta. “Não posso dizer quando veremos o primeiro computador quântico verdadeiramente útil. Talvez daqui a 10 anos.
"De qualquer forma, acreditamos ter apresentado uma abordagem promissora. Muitos colegas se concentram em eliminar o ruído para desenvolver qubits melhores, por exemplo, melhorando a qualidade dos materiais usados para fabricar os qubits. Demonstramos que sob certas condições condições que podemos ajustar ativamente para parte do ruído. Isso pode ser relevante para outros tipos de qubits além do tipo em nosso estudo.
