Novo design de acoplador multimodo avança a computação quântica escalável

Implementar um processador quântico tolerante a falhas requer o acoplamento de qubits para gerar emaranhamento. Qubits supercondutores são uma plataforma promissora para processamento de informações quânticas, mas a expansão para um computador quântico em escala real requer a interconexão de muitos qubits com baixas taxas de erro. Os métodos tradicionais geralmente limitam o acoplamento aos vizinhos mais próximos, exigem grandes pegadas físicas e envolvem vários acopladores, complicando a fabricação.

Por exemplo, acoplar 100 qubits em pares demanda um vasto número de acopladores. Além disso, controlar elementos de circuito individuais e acopladores com cabos separados para até 1.000 qubits exigiria um volume impraticavelmente grande de cabos, tornando inviável encaixar tal sistema em um grande laboratório, muito menos gerenciar milhões de qubits. Isso destaca a necessidade de métodos de acoplamento mais eficientes e escaláveis.

Uma equipe de físicos teóricos liderada por Mohd Ansari na FZJ, em colaboração com a equipe experimental de Britton Plourde na Universidade de Syracuse, introduziu uma nova abordagem usando um acoplador multimodo que permite uma força de acoplamento ajustável entre qualquer par de qubits.

Publicado em PRX Quantumesta pesquisa utiliza um acoplador compartilhado em forma de anel, feito de uma linha de transmissão de metamaterial. Este projeto produz um espectro de frequência denso de ressonâncias de ondas estacionárias perto da faixa de frequência de transição de qubit. O ressonador de anel canhoto, composto de 24 células aterradas indutivamente e acopladas capacitivamente, exibe um conjunto denso de modos acima de uma frequência de corte mínima, com frequências de modo se espalhando mais distantes em frequências mais altas.

Este design exclusivo, onde a frequência das ondas estacionárias é linearmente proporcional ao seu comprimento de onda, contrasta com as ondas estacionárias convencionais. Por exemplo, dobrar a frequência dobra o comprimento de onda, diferentemente dos sistemas típicos onde dobrar a frequência reduz o comprimento de onda pela metade. Imagine um instrumento musical onde tons mais altos correspondem a comprimentos de onda maiores — este conceito desafia as expectativas tradicionais.

Dois qubits supercondutores colocados nas posições de 3 e 6 horas no ressonador de anel se acoplam às ondas estacionárias, com a força da interação dependendo da amplitude da onda estacionária em suas localizações. O acoplamento de vários qubits a um modo ressonante comum induz interações de troca transversal, com o acoplamento dependendo da desafinação de cada qubit para vários modos. Essas interações podem ser positivas ou negativas. Além disso, as interações entre estados excitados mais altos de cada qubit e os modos de acoplamento resultam em interações ZZ de ordem superior, que também variam com a desafinação do qubit e podem mudar o sinal.

Essa variabilidade nas interações de troca e ZZ se alinha bem com modelos teóricos, permitindo o ajuste de escalas de energia de emaranhamento de valores grandes a zero. O potencial de estender esse sistema para mais de dois qubits ao redor do anel o torna uma plataforma promissora para controlar o emaranhamento em grandes matrizes de qubits.