Pesquisadores desenvolvem 'ruído

25 de maio de 2023

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por Sarah CP Williams, Universidade de Chicago

Apesar de sua imensa promessa de resolver novos tipos de problemas, os computadores quânticos de hoje são inerentemente propensos a erros. Uma pequena perturbação no ambiente circundante – uma mudança na temperatura, pressão ou campo magnético, por exemplo – pode perturbar os seus frágeis blocos de construção computacionais, chamados qubits.

Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago desenvolveram um novo método para monitorar constantemente o ruído em torno de um sistema quântico e ajustar os qubits, em tempo real, para minimizar erros.

A abordagem, descrita na Science, baseia-se em qubits espectadores: um conjunto de qubits incorporados no computador com o único propósito de medir o ruído externo em vez de armazenar dados. As informações coletadas por esses qubits espectadores podem então ser usadas para cancelar o ruído em qubits vitais de processamento de dados.

Ass. O professor Hannes Bernien, que liderou a pesquisa, compara o novo sistema a fones de ouvido com cancelamento de ruído, que monitoram continuamente os ruídos circundantes e emitem frequências opostas para cancelá-los.

“Com esta abordagem, podemos melhorar de forma muito robusta a qualidade dos qubits de dados”, disse Bernien. "Vejo isso como muito importante no contexto da computação quântica e da simulação quântica."

À medida que os computadores quânticos existentes são ampliados, o desafio do ruído e do erro aumenta. O problema é duplo: os Qubits mudam facilmente em resposta ao seu ambiente, o que pode alterar as informações armazenadas dentro deles e levar a altas taxas de erro. Além disso, se um cientista mede um qubit, para tentar avaliar o ruído ao qual foi exposto, o estado do qubit entra em colapso, perdendo os seus dados.

“É uma tarefa muito assustadora e difícil tentar corrigir os erros dentro de um sistema quântico”, disse Bernien.

Os físicos teóricos já haviam proposto uma solução usando qubits espectadores, um conjunto de qubits que não armazena nenhum dado necessário, mas que pode ser incorporado a um computador quântico. Os qubits espectadores rastreariam as mudanças no ambiente, agindo como o microfone contido nos fones de ouvido com cancelamento de ruído. Um microfone, é claro, detecta apenas ondas sonoras, enquanto os qubits espectadores propostos responderiam a quaisquer perturbações ambientais capazes de alterar os qubits.

O grupo de Bernien decidiu demonstrar que este conceito teórico poderia ser usado para cancelar o ruído em uma matriz quântica de átomos neutros – seu computador quântico preferido.

Em um processador quântico de átomo neutro, os átomos são suspensos no lugar usando feixes de laser chamados pinças ópticas, que Bernien ajudou a desenvolver, ganhando elogios como o Prêmio Novos Horizontes em Física de 2023 da Breakthrough Prize Foundation. Em grandes conjuntos destes átomos suspensos, cada um atua como um qubit, capaz de armazenar e processar informações dentro do seu estado de superposição.

Em 2022, Bernien e colegas relataram pela primeira vez a capacidade de fazer um processador quântico atômico híbrido contendo átomos de rubídio e césio. Agora, eles adaptaram esse processador para que os átomos de rubídio atuem como qubits de dados, enquanto os átomos de césio sejam qubits espectadores. A equipe projetou um sistema para ler continuamente dados em tempo real dos átomos de rubídio e, em resposta, ajustar os átomos de césio com oscilações de micro-ondas.

O desafio, disse Bernien, era garantir que o sistema fosse suficientemente rápido – quaisquer ajustes nos átomos de rubídio tinham de ser quase instantâneos.