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No futuro, os computadores quânticos poderão ser capazes de resolver problemas complexos demais para os supercomputadores mais poderosos da atualidade. Para concretizar esta promessa, as versões quânticas dos códigos de correção de erros devem ser capazes de contabilizar os erros computacionais mais rapidamente do que eles ocorrem.
No entanto, os computadores quânticos de hoje ainda não são robustos o suficiente para realizar tal correção de erros em escalas comercialmente relevantes.
No caminho para superar esse obstáculo, os pesquisadores do MIT demonstraram uma nova arquitetura qubit supercondutora que pode realizar operações entre qubits – os blocos de construção de um computador quântico – com uma precisão muito maior do que os cientistas conseguiram alcançar anteriormente.
Eles utilizam um tipo relativamente novo de qubit supercondutor, conhecido como fluxonium, que pode ter uma vida útil muito mais longa do que os qubits supercondutores mais comumente usados.
Sua arquitetura envolve um elemento de acoplamento especial entre dois qubits de fluxonium que lhes permite realizar operações lógicas, conhecidas como portas, de maneira altamente precisa. Ele suprime um tipo de interação indesejada em segundo plano que pode introduzir erros nas operações quânticas.
Essa abordagem permitiu portas de dois qubits que excederam 99,9% de precisão e portas de qubit único com 99,99% de precisão. Além disso, os pesquisadores implementaram essa arquitetura em um chip usando um processo de fabricação extensível.
“A construção de um computador quântico em grande escala começa com qubits e portas robustas. Mostramos um sistema de dois qubits altamente promissor e apresentamos suas muitas vantagens para escalonamento. Nosso próximo passo é aumentar o número de qubits”, diz Leon Ding PhD ‘ 23, que era estudante de pós-graduação em física no grupo de Engenharia de Sistemas Quânticos (EQuS) e é o autor principal de um artigo sobre essa arquitetura.
Ding escreveu o artigo com Max Hays, um pós-doutorado da EQuS; Youngkyu Sung PhD ’22; Bharath Kannan PhD ’22, que agora é CEO da Atlantic Quantum; Kyle Serniak, cientista da equipe e líder de equipe do Laboratório Lincoln do MIT; e o autor sênior William D. Oliver, professor Henry Ellis Warren de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, diretor do Centro de Engenharia Quântica, líder do EQuS e diretor associado do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica; bem como outros no MIT e no MIT Lincoln Laboratory. A pesquisa aparece hoje em Revisão Física X.
Uma nova visão do qubit de fluxonium
Num computador clássico, portas são operações lógicas realizadas em bits (uma série de 1s e 0s) que permitem a computação. As portas na computação quântica podem ser pensadas da mesma maneira: uma porta de um único qubit é uma operação lógica em um qubit, enquanto uma porta de dois qubits é uma operação que depende dos estados de dois qubits conectados.
O Fidelity mede a precisão das operações quânticas realizadas nessas portas. Portões com as maiores fidelidades possíveis são essenciais porque os erros quânticos se acumulam exponencialmente. Com bilhões de operações quânticas ocorrendo em um sistema de grande escala, uma quantidade aparentemente pequena de erros pode rapidamente causar a falha de todo o sistema.
Na prática, seriam utilizados códigos de correção de erros para atingir taxas de erro tão baixas. No entanto, existe um “limiar de fidelidade” que as operações devem ultrapassar para implementar estes códigos. Além disso, levar as fidelidades muito além deste limite reduz a sobrecarga necessária para implementar códigos de correção de erros.
Por mais de uma década, os pesquisadores usaram principalmente qubits transmon em seus esforços para construir computadores quânticos. Outro tipo de qubit supercondutor, conhecido como qubit de fluxonium, originou-se mais recentemente. Foi demonstrado que os qubits de fluxônio têm vida útil mais longa, ou tempos de coerência, do que os qubits transmon.
O tempo de coerência é uma medida de quanto tempo um qubit pode realizar operações ou executar algoritmos antes que todas as informações do qubit sejam perdidas.
“Quanto mais tempo um qubit vive, maior a fidelidade das operações que ele tende a promover. Esses dois números estão interligados. Mas não está claro, mesmo quando os próprios qubits de fluxonium funcionam muito bem, se você pode executar boas portas neles”, Ding diz.
Pela primeira vez, Ding e seus colaboradores encontraram uma maneira de usar esses qubits de vida mais longa em uma arquitetura que pode suportar portas extremamente robustas e de alta fidelidade. Em sua arquitetura, os qubits Fluxônio foram capazes de atingir tempos de coerência superiores a um milissegundo, cerca de 10 vezes mais que os qubits transmon tradicionais.
“Nos últimos anos, houve várias demonstrações de fluxonium superando transmons no nível de qubit único”, diz Hays. “Nosso trabalho mostra que esse aumento de desempenho também pode ser estendido às interações entre qubits.”
Os qubits de fluxonium foram desenvolvidos em estreita colaboração com o MIT Lincoln Laboratory, (MIT-LL), que possui experiência no projeto e fabricação de tecnologias qubit supercondutoras extensíveis.
“Este experimento foi exemplar do que chamamos de ‘modelo de equipe única’: a estreita colaboração entre o grupo EQuS e a equipe de qubits supercondutores do MIT-LL”, diz Serniak. “Vale a pena destacar aqui especificamente a contribuição da equipe de fabricação do MIT-LL – eles desenvolveram a capacidade de construir matrizes densas de mais de 100 junções Josephson especificamente para fluxoniums e outros novos circuitos qubit.”
Uma conexão mais forte
Sua nova arquitetura envolve um circuito que possui dois qubits de fluxonium em cada extremidade, com um acoplador transmon sintonizável no meio para uni-los. Esta arquitetura fluxonium-transmon-fluxônio (FTF) permite um acoplamento mais forte do que métodos que conectam diretamente dois qubits de fluxonium.
O FTF também minimiza interações indesejadas que ocorrem em segundo plano durante operações quânticas. Normalmente, acoplamentos mais fortes entre qubits podem levar a mais ruído de fundo persistente, conhecido como interações ZZ estáticas. Mas a arquitetura FTF resolve esse problema.
A capacidade de suprimir essas interações indesejadas e os tempos de coerência mais longos dos qubits de fluxonium são dois fatores que permitiram aos pesquisadores demonstrar fidelidade de porta de qubit único de 99,99 por cento e fidelidade de porta de dois qubit de 99,9 por cento.
Essas fidelidades de porta estão bem acima do limite necessário para certos códigos comuns de correção de erros e devem permitir a detecção de erros em sistemas de maior escala.
“A correção quântica de erros aumenta a resiliência do sistema por meio da redundância. Ao adicionar mais qubits, podemos melhorar o desempenho geral do sistema, desde que os qubits sejam individualmente ‘bons o suficiente’. Pense em tentar realizar uma tarefa com uma sala cheia de alunos do jardim de infância. Isso é muito caos, e adicionar mais alunos do jardim de infância não vai melhorar”, explica Oliver. “No entanto, vários estudantes de pós-graduação maduros trabalhando juntos levam a um desempenho que excede qualquer um dos indivíduos – esse é o conceito limite. Embora ainda haja muito a fazer para construir um computador quântico extensível, ele começa com operações quânticas de alta qualidade que estão bem acima do limite.”
Com base nesses resultados, Ding, Sung, Kannan, Oliver e outros fundaram recentemente uma startup de computação quântica, a Atlantic Quantum. A empresa busca usar qubits de fluxonium para construir um computador quântico viável para aplicações comerciais e industriais.
“Esses resultados são imediatamente aplicáveis e podem mudar o estado de todo o campo. Isso mostra à comunidade que existe um caminho alternativo a seguir. Acreditamos fortemente que esta arquitetura, ou algo parecido usando qubits de fluxonium, mostra-se muito promissor em termos de realmente construir um computador quântico útil e tolerante a falhas”, diz Kannan.
Embora esse computador ainda demore provavelmente 10 anos, esta pesquisa é um passo importante na direção certa, acrescenta. A seguir, os pesquisadores pretendem demonstrar as vantagens da arquitetura FTF em sistemas com mais de dois qubits conectados.
Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia, por uma bolsa de doutorado da IBM, pela Fundação Coreana para Estudos Avançados e pelo Programa de Bolsas de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Defesa Nacional.
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