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Calor e computadores não combinam bem. Se os computadores superaquecerem, eles não funcionam bem ou podem até travar. Mas e os computadores quânticos do futuro? Esses dispositivos de alto desempenho são ainda mais sensíveis ao calor. Isso ocorre porque suas unidades computacionais básicas – bits quânticos ou “qubits” – são baseadas em unidades altamente sensíveis, algumas delas átomos individuais, e o calor pode ser um fator de interferência crucial.
O dilema básico: para recuperar as informações de um qubit, seu estado quântico deve ser destruído. O calor liberado no processo pode interferir no sensível sistema quântico. A própria geração de calor do computador quântico poderia conseqüentemente se tornar um problema, suspeitam os físicos Wolfgang Belzig (Universidade de Konstanz), Clemens Winkelmann (Néel Institute, Grenoble) e Jukka Pekola (Aalto University, Helsinki). Em experimentos, os pesquisadores agora documentaram o calor gerado por sistemas quânticos supercondutores. Para isso, eles desenvolveram um método que pode medir e exibir a curva de temperatura com precisão de um milionésimo de segundo durante todo o processo de leitura de um qubit. “Isso significa que estamos monitorando o processo à medida que ele ocorre”, diz Wolfgang Belzig. O método foi publicado recentemente na revista física da natureza.
Sistemas quânticos supercondutores produzem calor
Até agora, a pesquisa em computação quântica se concentrou no básico para fazer esses computadores de alto desempenho funcionarem: muitas pesquisas envolvem principalmente o acoplamento de bits quânticos e a identificação de quais sistemas materiais são ideais para qubits. Pouca consideração foi dada à geração de calor: especialmente no caso de qubits supercondutores construídos usando um material condutor supostamente ideal, os pesquisadores frequentemente assumem que nenhum calor é gerado ou que a quantidade é insignificante. “Isso simplesmente não é verdade”, diz Wolfgang Belzig e acrescenta: “As pessoas costumam pensar em computadores quânticos como sistemas idealizados. No entanto, até mesmo o circuito de um sistema quântico supercondutor produz calor”. Quanto calor, é o que os pesquisadores agora podem medir com precisão.
Um termômetro para o bit quântico
O método de medição foi desenvolvido para sistemas quânticos supercondutores. Esses sistemas são baseados em circuitos supercondutores que usam “junções Josephson” como elemento eletrônico central. “Nós medimos a temperatura do elétron com base na condutividade de tais contatos. Isso não é nada especial por si só: muitos termômetros eletrônicos são baseados de alguma forma na medição da condutividade usando um resistor. O único problema é: com que rapidez você pode fazer as medições ?” Clemens Winkelmann explica. Mudanças em um estado quântico levam apenas um milionésimo de segundo.
“Nosso truque é fazer com que o resistor meça a temperatura dentro de um ressonador – um circuito oscilante – que produz uma resposta forte em uma determinada frequência. Esse ressonador oscila a 600 megahertz e pode ser lido muito rapidamente”, explica Winkelmann.
O calor é sempre gerado
Com suas evidências experimentais, os pesquisadores querem chamar a atenção para os processos termodinâmicos de um sistema quântico. “Nossa mensagem para o mundo da computação quântica é: tenha cuidado e fique atento à geração de calor. Podemos até medir a quantidade exata”, acrescenta Winkelmann.
Essa geração de calor pode se tornar particularmente relevante para a ampliação de sistemas quânticos. Wolfgang Belzig explica: “Uma das maiores vantagens dos qubits supercondutores é que eles são muito grandes, porque esse tamanho os torna fáceis de construir e controlar. Por outro lado, isso pode ser uma desvantagem se você quiser colocar muitos qubits em um chip. Os desenvolvedores precisam levar em conta que mais calor será produzido como resultado e que o sistema precisa ser resfriado adequadamente.”
Esta pesquisa foi conduzida no contexto do Centro de Pesquisa Colaborativa SFB 1432 “Flutuações e Não Linearidades na Matéria Clássica e Quântica além do Equilíbrio” na Universidade de Konstanz.
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