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De que adianta um computador poderoso se você não consegue ler sua saída? Ou prontamente reprogramá-lo para fazer trabalhos diferentes? As pessoas que projetam computadores quânticos enfrentam esses desafios, e um novo dispositivo pode torná-los mais fáceis de resolver.
O dispositivo, apresentado por uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), inclui dois bits quânticos supercondutores, ou qubits, que são análogos de um computador quântico aos bits lógicos em um chip de processamento de um computador clássico. O coração dessa nova estratégia depende de um dispositivo de “alternância” que conecta os qubits a um circuito chamado “ressonador de leitura” que pode ler a saída dos cálculos dos qubits.
Essa chave seletora pode ser alternada em diferentes estados para ajustar a força das conexões entre os qubits e o ressonador de leitura. Quando desativado, todos os três elementos são isolados uns dos outros. Quando o interruptor é ativado para conectar os dois qubits, eles podem interagir e realizar cálculos. Depois que os cálculos estiverem concluídos, a chave seletora pode conectar qualquer um dos qubits e o ressonador de leitura para recuperar os resultados.
Ter um interruptor programável ajuda muito a reduzir o ruído, um problema comum em circuitos de computadores quânticos que dificulta que os qubits façam cálculos e mostrem seus resultados com clareza.
“O objetivo é manter os qubits felizes para que eles possam calcular sem distrações, enquanto ainda podemos lê-los quando quisermos”, disse Ray Simmonds, físico do NIST e um dos autores do artigo. “Essa arquitetura de dispositivo ajuda a proteger os qubits e promete melhorar nossa capacidade de fazer medições de alta fidelidade necessárias para construir processadores de informações quânticas a partir de qubits”.
A equipe, que também inclui cientistas da University of Massachusetts Lowell, da University of Colorado Boulder e da Raytheon BBN Technologies, descreve seus resultados em um artigo publicado hoje na Física da Natureza.
Os computadores quânticos, que ainda estão em um estágio inicial de desenvolvimento, aproveitariam as propriedades bizarras da mecânica quântica para fazer trabalhos que até mesmo nossos computadores clássicos mais poderosos consideram intratáveis, como auxiliar no desenvolvimento de novas drogas realizando simulações sofisticadas de interações químicas. .
No entanto, os projetistas de computadores quânticos ainda enfrentam muitos problemas. Uma delas é que os circuitos quânticos são acionados por ruído externo ou mesmo interno, que surge de defeitos nos materiais usados para fabricar os computadores. Esse ruído é essencialmente um comportamento aleatório que pode criar erros nos cálculos de qubit.
Os qubits atuais são inerentemente barulhentos por si mesmos, mas esse não é o único problema. Muitos projetos de computadores quânticos têm o que é chamado de arquitetura estática, onde cada qubit no processador está fisicamente conectado a seus vizinhos e a seu ressonador de leitura. A fiação fabricada que conecta os qubits e sua leitura pode expô-los a ainda mais ruído.
Essas arquiteturas estáticas têm outra desvantagem: elas não podem ser reprogramadas facilmente. Os qubits de uma arquitetura estática podem fazer alguns trabalhos relacionados, mas para o computador executar uma gama mais ampla de tarefas, seria necessário trocar um design de processador diferente por uma organização ou layout de qubit diferente. (Imagine trocar o chip do seu laptop toda vez que precisar usar um software diferente e, em seguida, considere que o chip precisa ser mantido um pouco acima do zero absoluto, e você entenderá por que isso pode ser inconveniente.)
A chave seletora programável da equipe evita esses dois problemas. Primeiro, evita que o ruído do circuito entre no sistema através do ressonador de leitura e evita que os qubits conversem entre si quando deveriam estar quietos.
“Isso reduz uma fonte importante de ruído em um computador quântico”, disse Simmonds.
Em segundo lugar, a abertura e o fechamento dos interruptores entre os elementos são controlados com um trem de pulsos de micro-ondas enviados à distância, e não por meio de conexões físicas de uma arquitetura estática. A integração de mais desses interruptores poderia ser a base de um computador quântico mais facilmente programável. Os pulsos de micro-ondas também podem definir a ordem e a sequência das operações lógicas, o que significa que um chip construído com muitas das chaves de alternância da equipe pode ser instruído a executar qualquer número de tarefas.
“Isso torna o chip programável”, disse Simmonds. “Ao invés de ter uma arquitetura completamente fixa no chip, você pode fazer alterações via software.”
Um último benefício é que o botão de alternância também pode ativar a medição de ambos os qubits ao mesmo tempo. Essa capacidade de pedir a ambos os qubits que se revelem como um casal é importante para rastrear erros computacionais quânticos.
Os qubits nesta demonstração, assim como a chave seletora e o circuito de leitura, foram todos feitos de componentes supercondutores que conduzem eletricidade sem resistência e devem ser operados em temperaturas muito baixas. A própria chave seletora é feita de um dispositivo supercondutor de interferência quântica, ou “SQUID”, que é muito sensível a campos magnéticos que passam por seu loop. Conduzir uma corrente de micro-ondas através de um loop de antena próximo pode induzir interações entre os qubits e o ressonador de leitura quando necessário.
Neste ponto, a equipe trabalhou apenas com dois qubits e um único ressonador de leitura, mas Simmonds disse que está preparando um projeto com três qubits e um ressonador de leitura, e eles têm planos de adicionar mais qubits e ressonadores também. Pesquisas adicionais podem oferecer informações sobre como conectar muitos desses dispositivos, potencialmente oferecendo uma maneira de construir um poderoso computador quântico com qubits suficientes para resolver os tipos de problemas que, por enquanto, são insuperáveis.
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