A pesquisa teórica é promissora para o avanço do processamento modular de informações quânticas

A operação de um computador quântico depende da codificação e processamento de informações na forma de bits quânticos — definidos por dois estados de sistemas quânticos, como elétrons e fótons. Diferentemente dos bits binários usados ​​em computadores clássicos, os bits quânticos podem existir em uma combinação de zero e um simultaneamente — permitindo, em princípio, que eles realizem certos cálculos exponencialmente mais rápido do que os maiores supercomputadores de hoje.

Para atingir seu potencial máximo, os computadores quânticos precisam de milhões de bits quânticos, ou qubits. Mas um desafio surge quando os sistemas de processamento de informações quânticas são dimensionados para muitos qubits. Eletrônicos altamente complexos são necessários para controlar até mesmo alguns qubits, e dimensionar esse circuito complexo representa um grande obstáculo.

Em pesquisa teórica recente, uma equipe de físicos, liderada pela professora Vanita Srinivasa, da Universidade de Rhode Island, prevê um sistema modular para dimensionar processadores quânticos com uma maneira flexível de vincular qubits em longas distâncias para permitir que trabalhem em conjunto para executar operações quânticas. A capacidade de executar tais operações correlacionadas ou de “emaranhamento” entre qubits vinculados é a base do poder aprimorado que a computação quântica detém em comparação com os computadores atuais.

Um novo artigo sobre a sua pesquisa, co-escrito por Srinivasa, Jacob M. Taylor da Universidade de Maryland e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, e Jason R. Petta da Universidade da Califórnia, Los Angeles, foi publicado recentemente na revista PRX Quantum

“Cada qubit em um computador quântico opera em uma frequência específica. Perceber as capacidades únicas de um computador quântico depende da capacidade de controlar cada qubit individualmente por meio de uma frequência distinta, bem como vincular pares de qubits combinando suas frequências”, disse Srinivasa, diretor do programa de Ciência da Informação Quântica da URI e professor assistente de física.

“À medida que um processador quântico é dimensionado para números maiores de qubits, ser capaz de atingir simultaneamente ambas as operações para cada qubit se torna muito desafiador. Em nosso trabalho, descrevemos como aplicar tensões oscilantes efetivamente gera frequências extras para cada qubit, a fim de vincular vários qubits sem ter que corresponder a todas as suas frequências originais. Isso permite que os qubits sejam vinculados, ao mesmo tempo em que permite que cada qubit retenha uma frequência distinta para controle individual.”

Usar semicondutores para construir processadores quânticos é, em princípio, muito promissor para escalar qubits para grandes números. A tecnologia avançada de semicondutores que existe hoje forma a base para fabricar chips com bilhões de pequenos transistores e pode ser aproveitada para fazer qubits de tamanho compacto, disse Srinivasa. Além disso, armazenar qubits em uma propriedade interna de elétrons e outras partículas semicondutoras conhecida como spin fornece proteção aprimorada contra a perda de informação quântica inerente a cada plataforma de computação quântica.

No entanto, escalar um processador quântico simplesmente adicionando mais e mais qubits de spin e seus circuitos de controle associados a uma única matriz de qubits é muito desafiador na prática. O trabalho teórico de Srinivasa e seus colegas aborda esse problema fornecendo um guia passo a passo que mostra várias maneiras de entrelaçar qubits de spin em longas distâncias com flexibilidade na correspondência de suas frequências.

A flexibilidade resultante abre um caminho para o processamento modular de informações quânticas baseado em semicondutores, o que representa uma abordagem alternativa para a construção de sistemas de muitos qubits usando pequenas matrizes de qubits — módulos — que já podem ser feitos hoje, e conectando-os com links de emaranhamento robustos e de longo alcance.

“Essa abordagem de dimensionamento é como construir um sistema maior usando blocos de LEGO de tamanho fixo, que são como módulos individuais, e conectá-los usando peças mais longas que são fortes o suficiente para manter a conexão entre os blocos por um tempo suficiente antes que influências externas quebrem os elos”, disse Srinivasa.

“Desde que links de longa distância rápidos e confiáveis ​​entre qubits estejam disponíveis, essa abordagem modular permite o dimensionamento, ao mesmo tempo em que fornece mais espaço para o circuito de controle do qubit de spin.” Processadores quânticos totalmente modulares baseados em semicondutores ainda precisam ser demonstrados.

Embora existam muitos tipos de qubits e uma variedade correspondente de maneiras de interagir, os pesquisadores escolheram estudar qubits de spin baseados em pontos quânticos que interagem por meio de fótons de micro-ondas em uma cavidade supercondutora. Pontos quânticos são estruturas semelhantes a átomos criadas para confinar elétrons — e outras partículas usadas para definir qubits — a pequenos espaços dentro de semicondutores e controlá-los individualmente pela aplicação de voltagens. Da mesma forma, cavidades supercondutoras são estruturas fabricadas que confinam fótons, mas são muito maiores do que pontos quânticos, com um tamanho definido pelo comprimento de onda das micro-ondas.

Experimentos recentes demonstraram ligações de longa distância entre qubits de spin de pontos quânticos usando fótons de cavidade de micro-ondas. (A primeira demonstração para dois qubits de spin em silício foi alcançada pelo grupo de pesquisa experimental do coautor Jason Petta.)

No entanto, ajustar todas as frequências de qubit e fóton para que elas correspondam precisamente e possam trocar energia — uma condição chamada ressonância — para estabelecer um link tem sido um problema mesmo apenas no nível de dois qubits, diz o artigo. Para resolver esse problema, os pesquisadores apresentam uma abordagem altamente ajustável para vincular qubits usando fótons de micro-ondas que não depende de ressonância simultânea entre todas as frequências originais de qubit e cavidade.

Em seu artigo, os pesquisadores fornecem diretrizes abrangentes para links de emaranhamento de longa distância personalizados que permitem flexibilidade ao disponibilizar múltiplas frequências para cada qubit para se tornar vinculado a fótons de cavidade de micro-ondas de uma determinada frequência, “como múltiplas chaves que podem se encaixar em uma determinada fechadura”, disse Srinivasa.

Frequências extras podem ser geradas aplicando uma voltagem oscilante a cada qubit de spin que move os spins para frente e para trás nos pontos quânticos. Se esse movimento de vai e vem for rápido o suficiente, duas frequências de banda lateral — uma mais alta e uma mais baixa em frequência do que a frequência do qubit original — são criadas para cada qubit, além de sua frequência característica.

A adição das frequências de banda lateral resulta em três maneiras de sintonizar cada qubit em ressonância com os fótons da cavidade de micro-ondas e, consequentemente, nove condições diferentes sob as quais dois qubits podem ser vinculados.

Essa flexibilidade nas condições de ressonância tornaria muito mais fácil adicionar qubits a um sistema porque eles não precisam ser todos sintonizados na mesma frequência. Além disso, as nove maneiras de dois qubits serem vinculados permitem que vários tipos diferentes de operações de entrelaçamento sejam selecionados simplesmente configurando as tensões oscilantes apropriadamente, sem ter que modificar a estrutura dos pontos quânticos ou dos fótons da cavidade.

A versatilidade em tipos de links de emaranhamento permite um conjunto expandido de operações quânticas elementares com as quais realizar cálculos. Finalmente, os pesquisadores mostram que seu método de emaranhamento proposto é menos sensível ao vazamento de fótons para fora da cavidade do que abordagens anteriores, permitindo links de longa distância mais robustos entre qubits de spin.

“A combinação de flexibilidade na correspondência de frequências, versatilidade na adaptação dos tipos de operações de emaranhamento quântico entre qubits e sensibilidade reduzida ao vazamento de fótons de cavidade torna nossa abordagem proposta baseada em frequência de banda lateral promissora para a realização de um processador quântico modular usando qubits semicondutores”, disse Srinivasa.

“Estou animado para o próximo passo, que é aplicar essas ideias a dispositivos quânticos reais em laboratório e descobrir o que precisamos fazer para que a abordagem funcione na prática.”