Computação quântica nas Olimpíadas? Qubits dão saltos e cambalhotas para diminuir erros

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/08/2024

Qubits de spin saltam para criar portas quânticas e se acoplar a outros qubits de spin no chip.
[Imagem: Studio Oostrum/QuTech]

Qubits saltitantes

Pesquisadores holandeses desenvolveram novos componentes que permitem montar uma arquitetura de lógica quântica universal, ou seja, uma arquitetura que não é lmiitada à solução de problemas específicos.

São duas inovações que têm tudo a ver com o atual momento olímpico: A primeira foi chamada de spins saltitantes, e a segunda de qubits que dão cambalhotas.

Mas não são só exercícios: A demonstração permite fazer o controle eficiente de grandes matrizes de qubits semicondutores, um caminho mais simples para construir computadores quânticos de grande porte do que a arquitetura atual mais usada, baseada em qubits supercondutores.

Ambas as inovações envolvem qubits baseados em pontos quânticos, que estão sendo pesquisados no mundo todo porque podem simplificar a construção de um computador quântico. A abordagem mais comum consiste em capturar um único elétron no ponto quântico e então aplicar um campo magnético e micro-ondas para controlar o spin do elétron, usando-o como um qubit.

O que Chien-An Wang e colegas Universidade de Tecnologia de Delft fizeram agora foi dispensar as micro-ondas, usando apenas sinais de banda base e pequenos campos magnéticos para o controle universal de um qubit. Isso é vantajoso porque simplifica significativamente a eletrônica de controle necessária para operar os processadores quânticos, além de gastar menos energia e ter menos problemas de aquecimento.

Esquema da arquitetura de qubits saltitantes.
[Imagem: Chien-An Wang et al. - 10.1126/science.ado5915]

Qubits dando cambalhotas

Controlar o spin de um elétron exige fazê-lo saltar de um ponto quântico para outro, usando um mecanismo físico para girar seu spin. A proposta teórica para essa arquitetura tem 25 anos, mas exigia um tipo de ímã muito complicado de implementar na prática. Em vez disso, a equipe usou o conhecido semicondutor germânio, que por si só já permite fazer rotações de spin.

Em seus experimentos, a equipe demonstrou que o germânio pode servir como uma plataforma para saltos de qubits de spin como base para fazer ligações quânticas. Eles observaram as primeiras indicações de rotações de spin usando esse esquema simplificado de semicondutor.

Mas a ginástica foi adiante, e a equipe demonstrou que é possível fazer os qubits darem cambalhotas.

Para entender a diferença entre qubits saltitantes e qubits que dão cambalhotas, pense em matrizes de pontos quânticos como um parque de trampolins, onde os spins dos elétrons são como pessoas pulando. Normalmente, cada pessoa tem um trampolim para si mesma, mas elas também podem pular para trampolins vizinhos, se eles estiverem disponíveis. O semicondutor germânio tem uma propriedade única: Ao pular de um trampolim para o outro, a pessoa experimenta um torque que a faz dar uma cambalhota. Essa propriedade permite controlar os qubits de forma muito mais eficaz.

"O germânio tem a vantagem de alinhar os spins em diferentes direções em diferentes pontos quânticos. E qubits muito bons podem ser feitos saltando spins entre esses pontos quânticos. Medimos taxas de erro menores que mil para portas de um qubit e menores que cem para portas de dois qubits," disse Wang.

Esta é a coisa real, onde os qubits de fato saltam e dão cambalhotas, permitindo um controle mais preciso dos dados quânticos.
[Imagem: Chien-An Wang et al. - 10.1126/science.ado5915]

Melhor controle e facilidade de ampliação

A equipe ainda deu um passo adiante, fazendo os spins pularem por vários pontos quânticos, e não apenas de um para o outro. Seguindo a analogia anterior, isso corresponderia a uma pessoa que está pulando e dando cambalhotas sobre muitos trampolins.

"Para a computação quântica, é necessário operar e acoplar um grande número de qubits com alta precisão," justificou Valentin John, membro da equipe.

Diferentes trampolins fazem as pessoas experimentarem torques diferentes ao pular. Do mesmo modo, spins saltando entre diferentes pontos quânticos também resulta em rotações únicas, o que exigiu caracterizar e entender a variabilidade. "Nós estabelecemos rotinas de controle que permitem saltar spins para qualquer ponto quântico em uma matriz de 10 pontos quânticos, o que nos permite sondar métricas-chave dos qubits em sistemas estendidos," contou o pesquisador Francesco Borsoi.

"Nós acreditamos que é fundamental desenvolver esquemas de controle eficientes para a operação dos futuros computadores quânticos, e essa nova abordagem é promissora," concluiu o professor Menno Veldhorst, cuja equipe tem ajudado a avançar a computação baseada no silício e em semicondutores tradicionais, mais fáceis de lidar do que outras plataformas de qubits porque os qubits semicondutores podem ser construídos como se fossem transistores.

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