Físicos propõem um ‘campo de força’ para proteger computadores quânticos sensíveis do ruído

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Créditos: Oxygen / Moment / Getty Images.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

A criação de um computador quântico requer a habilidade de mexer nos limites da realidade com o mais silencioso dos toques. Se houver muito ‘ruído’, o estado delicado do sistema colapsa, deixando você com um peso de papel muito caro.

Uma maneira de reduzir o risco de que isso ocorra é construir freios e contrapesos que ajudem a proteger o estado obscuro da realidade no núcleo dos computadores quânticos – e agora os cientistas propuseram uma nova maneira de fazer exatamente isso.

Físicos teóricos da Universidade Técnica de Aachen, na Alemanha, propuseram o que é conhecido como ‘campo magnético sintético’, que eles acham que pode ajudar a proteger os necessários e frágeis qubits em um computador quântico.

“Projetamos um circuito composto de elementos de um circuito supercondutor de última geração e um dispositivo não recíproco, que pode ser usado para implementar passivamente o código GKP de correção de erros quânticos”, escreveu a equipe em seu estudo.

A base para o projeto é um conceito que tem quase 20 anos (vamos falar disso logo, logo), que simplesmente não é viável com base na exigência de campos magnéticos impossivelmente fortes. A nova abordagem tenta contornar esse problema.

Em vez da linguagem sólida baseada em bits de 1s e 0s que informa as operações de seu smartphone ou desktop, a computação quântica depende de uma abordagem menos binária e muito menos definitiva para processar números.

Bits quânticos, ou qubits, são unidades individuais de sua linguagem com base na probabilidade da mecânica quântica. Juntando o suficiente, as acrobacias aparentemente aleatórias dos qubits estabelecem as bases para uma abordagem única e diferente de resolução de problemas.

Um qubit é uma criatura estranha, algo que não tem equivalente real em nossa experiência do dia-a-dia. Se não estiver sendo observado, ele pode estar simultaneamente na posição 1, 0 ou em ambas. Mas assim que você olha para ele, o qubit se estabelece em um estado único e mais mundano.

Na física, esse ato de olhar nem precisa ser um olhar fixo intencional. O ruído da radiação eletromagnética, uma colisão perdida de uma partícula vizinha… e esse qubit pode rapidamente se tornar parte do cenário, perdendo seus poderes essenciais de probabilidade.

Esse ‘ruído’ só fica pior à medida que aumentamos os dispositivos para incluir mais qubits, algo que é necessário para tornar os computadores quânticos poderosos o suficiente para serem capazes do processamento de alto nível que esperamos deles.

Um método promissor para garantir que um qubit permaneça difuso por tempo suficiente para ser útil é emaranhá-lo com outros qubits localizados em outro lugar, o que significa que suas probabilidades são agora dependentes de outras partículas igualmente difusas localizadas em zonas improváveis ​​de serem atingidas pelo mesmo ruído.

Se isso for feito da maneira certa, os engenheiros podem garantir um nível de correção de erro quântico – um esquema de seguro que permite que o qubit lide com o ocasional tremor, ruído e oscilação do ambiente circundante.

E é aqui que voltamos ao novo estudo. Em 2001, um trio de pesquisadores – Daniel Gottesman, Alexeir Kitaev e John Preskill – formularam uma maneira de codificar esse tipo de proteção em um espaço como uma característica intrínseca do circuito que contém os qubits, potencialmente permitindo um hardware mais fino.

Ele ficou conhecido como código Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP). Havia apenas um problema – o código GKP dependia de confinar um elétron a apenas duas dimensões usando campos magnéticos grandes e intensos de uma forma que simplesmente não é prática. Além do mais, os processos de detecção e correção de erros também são bastante complicados, exigindo ainda mais camadas de hardware.

Para realmente obter o máximo dos benefícios do código GKP, os engenheiros quânticos precisariam de uma abordagem mais passiva e sem intervenção para proteger e recuperar as informações de um qubit do ruído.

Portanto, nesta nova proposta inovadora, os físicos sugerem substituir o campo magnético impossivelmente grande por um circuito supercondutor composto de componentes que têm praticamente a mesma finalidade, eliminando o ruído.

Os detalhes técnicos da configuração não são para leitura geral, mas Anja Metelmann, da APS Physics, faz um excelente trabalho ao examiná-los passo a passo para aqueles ansiosos por detalhes.

Para que funcionasse, seria necessário haver uma maneira dos fótons – ondulações no campo eletromagnético que transportam as forças do elétron – serem manipulados por esse mesmo campo. Dada a neutralidade do fóton, isso simplesmente não é uma possibilidade.

No entanto, há uma solução alternativa. Nos últimos anos, os físicos descobriram uma maneira de controlar os fótons para que possam ser canalizados como elétrons, manipulando a ótica de um espaço para que ele assuma certas características semelhantes às do magnético.

Os chamados campos magnéticos sintéticos permitem que os fótons sejam direcionados, dando aos engenheiros uma maneira de criar dispositivos nos quais as ondas de luz podem ser forçadas a se comportar mais como uma corrente.

O novo estudo apresenta uma maneira de usar este campo magnético sintético para proteger um único elétron teórico em um cristal, confinado a um plano 2D. Quando eles fizeram cálculos para ver como ele reagiria quando submetido a um campo magnético forte e real, que normalmente interferiria no sistema, eles mostraram que sua nova configuração poderia protegê-lo.

“Descobrimos que o circuito é naturalmente protegido contra os canais de ruído comuns em circuitos supercondutores, como ruído de carga e fluxo, o que significa que pode ser usado para correção passiva de erros quânticos”, explica a equipe em seu estudo.

Antes de obtermos um protótipo funcional desse maquinário de correção de erros quânticos, existem muitos problemas para resolver experimentalmente. Deu tudo certo no estudo, mas não se sabe se a tecnologia coopera como esperado.

Com o tempo, poderemos ter um dispositivo relativamente simples que torne um conceito impraticável – mas eficiente – para aumentar a escala de computadores quânticos em uma possibilidade real, abrindo caminho para uma tecnologia tolerante a erros que até agora era principalmente teórica.

Esta pesquisa foi publicada na Physical Review X.