Nova técnica de resfriamento dos qubits simplifica muito os computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/02/2024

Armadilha de íons usada para controlar a localização dos íons computacionais e dos íons refrigerantes.
[Imagem: SNL]

Qubits iônico

Uma das arquiteturas mais pesquisadas para a computação quântica envolve o uso de íons como qubits. A abordagem é promissora porque os qubits iônicos podem ser dispostos em matrizes parecidas com os sensores das câmeras digitais (CCDs) - não por acaso, essas matrizes são chamadas de QCCDs, sigla em inglês para dispositivos de carga acoplada quânticos.

Uma das maiores dificuldades para isso envolve resfriar os qubits iônicos, para que eles não percam seus dados pela interação com o ambiente.

Tipicamente, o resfriamento iônico nos QCCDs precisa de duas espécies diferentes de íons, com os íons de resfriamento acoplados a lasers de comprimento de onda diferente, para não afetar os íons usados para a computação propriamente dita. Além dos lasers necessários para controlar as operações da computação quântica, esta técnica de resfriamento requer lasers adicionais para capturar e controlar os íons refrigeradores, e isso aumenta a complexidade e retarda as operações de computação.

Agora, Spencer Fallek e colegas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA, demonstraram que dá para fazer tudo usando o mesmo tipo de íon, simplificando radicalmente a arquitetura.

Usando uma técnica batizada de resfriamento rápido por troca iônica, Fallek resfriou um íon de cálcio - que ganha energia vibracional ao fazer cálculos quânticos - movendo um íon frio da mesma espécie para próximo do íon computacional. Depois de transferir energia do íon quente para o frio, o íon refrigerante retorna a um reservatório próximo para ser resfriado novamente e recomeçar o ciclo.

"Demonstramos um novo método para resfriar íons de forma mais rápida e simples nesta promissora arquitetura QCCD," disse Fallek. "O resfriamento de troca rápida pode ser mais rápido porque o transporte dos íons de resfriamento requer menos tempo do que o resfriamento a laser de duas espécies diferentes. E é mais simples porque o uso de duas espécies diferentes requer operação e controle de mais lasers."

O laser resfria o íon auxiliar, sem importunar o íon computacional. Basta então aproximar os dois que o calor flui do íon quente para o íon frio.
[Imagem: SNL]

Resfriamento de 96%

O movimento dos íons ocorre em uma armadilha mantida pelo controle preciso de tensões que criam um potencial elétrico entre contatos de ouro.

Assim que o íon quente e o íon frio estão próximos um do outro, ocorre uma troca simples de energia e o íon frio original - agora aquecido por sua interação com o íon computacional - pode ser separado e devolvido a um reservatório próximo de íons resfriados.

Uma única troca de energia removeu mais de 96% do calor do íon computacional, o que foi uma surpresa para a equipe, que esperava que seriam necessárias múltiplas interações.

Os pesquisadores demonstraram até agora um sistema de prova de conceito com dois íons, mas afirmam que sua técnica é aplicável ao uso de múltiplos íons de computação e resfriamento, e outras espécies de íons. Eles testaram a troca de energia variando a temperatura inicial dos íons computacionais e descobriram que a técnica é eficaz independentemente da temperatura inicial.

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