Abandonando o caos quântico para alcançar transferência de estado quântico de alta fidelidade

Uma equipe internacional de cientistas da China e dos EUA desenvolveu um protocolo escalonável para transferência de estado quântico (QST) de alta fidelidade em um circuito quântico supercondutor de 36 qubits.

Os pesquisadores se concentraram na otimização do acoplamento de qubits para superar o caos quântico em redes quânticas 2D.

À medida que os sistemas de computação quântica crescem e se concentram no uso de mais arquiteturas de estado sólido, aumenta também a necessidade de comunicação quântica de alta fidelidade e curto alcance. Em particular, os qubits supercondutores são favorecidos porque oferecem mais escalabilidade e praticidade na construção de redes quânticas 2D.

As abordagens mais tradicionais para QST em redes 2D enfrentam desafios com o acúmulo de erros. Portanto, os pesquisadores propõem uma abordagem alternativa focada na otimização do acoplamento de qubits.

Phys.org conversou com alguns dos pesquisadores por trás do Comunicações da Natureza estudar para entender mais sobre seu trabalho.

Os co-autores Prof. Qiujiang Guo e o pós-doutorado Dr. Liang Xiang da Universidade de Zhejiang, China, explicaram sua motivação por trás da pesquisa: “Tecnicamente, a comunicação de curto alcance entre diferentes partes do sistema quântico de estado sólido é exigente tanto para a ampliação processadores quânticos e implementação eficiente de algoritmos quânticos.

“Por outro lado, os processadores supercondutores programáveis ​​são a escolha natural para atuar como meio de transferência de informação quântica. No entanto, a demonstração experimental da transferência de estado quântico está amplamente confinada a pequenas cadeias com poucos qubits”, disseram.

Compreendendo o QST

“Na busca pela construção de um computador quântico completo, o objetivo é reproduzir as capacidades de sua contraparte clássica, ou seja, processamento, armazenamento e comunicação”, disse o professor Richard T. Scalettar, da Universidade da Califórnia, Davis, co. -autor do estudo.

“Nossa pesquisa se concentrou neste último, abordando como transportar eficientemente um estado quântico entre as duas extremidades de um dispositivo quântico”, acrescentou o professor Rubem Mondaini, da Universidade de Houston, também coautor do estudo.

QST é o processo de transferência do estado de um sistema quântico de um qubit para outro. É a base de todos os sistemas quânticos de informação e comunicação.

Ao se referir à fidelidade do QST, significa a precisão com que a transferência de informações ocorre sem erros ou decoerências. Um dos principais desafios é minimizar erros devido a interações ambientais.

Pesquisas anteriores demonstraram QST para sistemas ideais de partículas únicas.

“O que esta abordagem original falha é levar em conta o fato de que os dispositivos quânticos reais estão longe de ser perfeitos, e os casos ideais sem defeitos ou acoplamentos indesejados são diferentes do que é possivelmente visto em um dispositivo quântico da vida real”, explicou o Prof.

Acoplamento Qubit e caos quântico

Para a comunicação quântica, um dos elementos-chave é o acoplamento qubit. Esta é uma interação entre qubits onde o estado de um qubit influencia o estado de outro. Normalmente é mediado por campos eletromagnéticos para qubits supercondutores. A extensão desta interação é medida pela força do acoplamento, que muitas vezes pode ser ajustada ou controlada.

Embora o acoplamento de qubits seja necessário para a transferência de informações entre qubits em um sistema, ele também traz desafios como o caos.

O caos quântico refere-se a um estado em que o comportamento de um sistema quântico é imprevisível devido a interações complexas dentro do sistema. Esta imprevisibilidade é altamente sensível ao estado inicial do sistema, levando a mudanças significativas no comportamento com pequenas variações nas condições iniciais.

O caos é exagerado em sistemas com alta força de acoplamento entre qubits, causando erros no QST ao interromper a coerência. Defeitos (como irregularidades ou imperfeições), como mencionou o Prof. Mondaini, também podem agravar o comportamento caótico.

Portanto, gerenciar o caos em sistemas quânticos é essencial para a comunicação quântica.

“Nosso método funciona para redes quânticas não ideais, ou seja, mesmo que o acoplamento entre os qubits não possa ser definido em valores pré-estabelecidos necessários para uma transferência de estado perfeita”, disse o Prof.

Recozimento de Monte Carlo

A equipe abordou o problema usando um método híbrido, em que um computador clássico executava a tarefa de otimização e um circuito quântico supercondutor usava a otimização para realizar o QST.

Para otimização, os pesquisadores usaram um método chamado recozimento de Monte Carlo (MC). O recozimento é um processo utilizado na metalurgia, onde um material é aquecido a uma temperatura muito alta e depois resfriado lentamente para modificar as propriedades do material.

Neste caso, os pesquisadores querem maximizar a fidelidade (ou QST eficiente) e otimizar o parâmetro de força de acoplamento. Simplificando, eles querem encontrar o valor ótimo da força de acoplamento para o qual podemos obter QST eficiente.

Explorar todas as configurações possíveis para otimizar a resistência do acoplamento não é prático. O método MC amostra aleatoriamente e otimiza o acoplamento em circuitos quânticos supercondutores.

Esta abordagem estocástica ou probabilística navega eficientemente pelos valores dos parâmetros para maximizar a fidelidade do QST. O processo é iterativo e a força do acoplamento é ajustada na amostragem probabilística e no poder de computação clássico.

Implementando um circuito quântico supercondutor de 36 qubits

Os pesquisadores usaram sua técnica de otimização para empregar uma rede qubit supercondutora 2D 6×6, ou seja, uma rede contendo 36 qubits.

Eles testaram esta rede para três tipos de estados quânticos, que transferiram.

A primeira foi uma transferência de excitação única, o que significa que apenas um qubit está excitado no sistema. O objetivo é ver como essa excitação é transferida através de vários qubits dentro do sistema quântico.

Para transferências de excitação única, a fidelidade foi de 0,902. Uma fidelidade de 0,902 significa que o estado real transferido corresponde aproximadamente ao estado desejado, com uma precisão de 90,2%.

Para transferência de duas excitações (dois qubits excitados), a taxa de fidelidade foi de 0,737, o que significa que a informação foi transferida com uma precisão de 73,7%.

Os pesquisadores também testaram sua rede para transferir um estado Bell. Um estado Bell é um estado de dois qubits emaranhados ao máximo. Quando os qubits estão no estado Bell, suas propriedades quânticas são correlacionadas de tal forma que, se você medir o estado de um qubit, saberá instantaneamente o estado do outro, não importa a distância entre eles.

Para este caso, a fidelidade foi de 0,84 entre dois pares de qubits. A demonstração do QST para um estado de Bell é crucial, pois verifica os princípios quânticos fundamentais.

“Não apenas demonstramos tecnicamente um processo de recozimento de Monte Carlo para melhorar a fidelidade da transferência, mas também revelamos as imagens físicas subjacentes a partir das perspectivas do comportamento caótico quântico e da representação de grande spin”, disse o Prof.

“Nossas descobertas estão muito além do escopo de experimentos anteriores, não apenas estabelecendo uma maneira prática de realizar QST de poucas partículas em redes 2D imperfeitas, mas também revelando a compreensão física subjacente do QST a partir da teoria do momento angular e da ergodicidade quântica”, acrescentou o Dr. .

Olhando para frente

A abordagem de otimização da equipe funciona de tal forma que os acoplamentos entre os qubits em uma rede quântica evitam a manifestação do caos quântico, o que foi confirmado pelos seus resultados experimentais.

Falando sobre potenciais aplicações diretas de seu protocolo, o Prof. Mondaini e o Prof. Scalettar disseram: “É provável que a fabricação de um futuro dispositivo quântico possa ser facilitada conectando uma coleção de processadores quânticos menores. Transmissão de um estado dentro de cada um deles e então, passar o estado para o próximo formaria um processador quântico distribuído, que poderia usar a abordagem em que fomos pioneiros.”

Em essência, isto destaca a escalabilidade e praticidade do seu sistema para grandes sistemas interconectados.

Xiang acrescentaram que seu sistema também poderia fornecer uma técnica construtiva para projetar canais quânticos e roteadores como blocos de construção para conectar nós de processador.

Eles disseram: “Com base na transferência de estado quântico de alta fidelidade, pode-se implementar portas quânticas remotas eficientes em todo o processador quântico, acelerando assim o algoritmo quântico”.

Portanto, seu protocolo poderia abrir possibilidades para o desenvolvimento de componentes fundamentais de redes quânticas de comunicação e informação.

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