No futuro, os computadores quânticos poderão simular rapidamente novos materiais ou ajudar cientistas a desenvolver modelos de aprendizado de máquina mais rápidos, abrindo portas para muitas novas possibilidades. Mas essas aplicações só serão possíveis se os computadores quânticos puderem executar operações de forma extremamente rápida, para que os cientistas possam fazer medições e realizar correções antes que as taxas de erro acumuladas reduzam sua precisão e confiabilidade. A eficiência desse processo de medição, conhecido como leitura, depende da força do acoplamento entre fótons, que são partículas de luz que transportam informações quânticas, e átomos artificiais, unidades de matéria que são frequentemente usadas para armazenar informações em um computador quântico.
Agora, pesquisadores do MIT demonstraram o que acreditam ser o acoplamento não linear de luz-matéria mais forte já alcançado em um sistema quântico. O experimento é um passo em direção à concretização de operações e leituras quânticas que podem ser realizadas em poucos nanossegundos. Os pesquisadores usaram uma nova arquitetura de circuito supercondutor para mostrar o acoplamento não linear entre luz e matéria que é cerca de uma ordem de magnitude mais forte do que as demonstrações anteriores, o que poderia permitir que um processador quântico funcionasse cerca de 10 vezes mais rápido. Ainda há muito trabalho a ser feito antes que a arquitetura possa ser usada em um computador quântico real, mas demonstrar a física fundamental por trás do processo é um grande passo na direção certa, diz Yufeng “Bright” Ye PhD ’24, principal autor de um artigo sobre esta pesquisa.
“Isso realmente eliminaria um dos gargalos da computação quântica. Normalmente, é preciso medir os resultados dos cálculos entre as rodadas de correção de erros. Isso poderia acelerar a rapidez com que alcançamos o estágio de computação quântica tolerante a falhas e conseguir extrair aplicações e valor do mundo real de nossos computadores quânticos”, diz Ye. Ele é acompanhado no artigo pelo autor sênior Kevin O’Brien, professor associado e pesquisador principal do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT, que lidera o Grupo de Eletrônica Coerente Quântica no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), além de outros colegas do MIT, do Laboratório Lincoln do MIT e da Universidade Harvard. A pesquisa foi publicada na Nature Communications e a demonstração física se baseia em anos de pesquisa teórica no grupo O’Brien.
Depois que Ye ingressou no laboratório como aluno de doutorado em 2019, ele começou a desenvolver um detector de fótons especializado para aprimorar o processamento de informações quânticas. Por meio desse trabalho, ele inventou um novo tipo de acoplador quântico, um dispositivo que facilita as interações entre qubits. Os qubits são os blocos de construção de um computador quântico. Esse acoplador, chamado de quarton, tinha tantas aplicações potenciais em operações e leituras quânticas que rapidamente se tornou o foco do laboratório.
Este acoplador quarton é um tipo especial de circuito supercondutor com potencial para gerar acoplamento não linear extremamente forte, essencial para a execução da maioria dos algoritmos quânticos. À medida que os pesquisadores alimentam o acoplador com mais corrente, ele cria uma interação não linear ainda mais forte. Nesse sentido, não linearidade significa que um sistema se comporta de uma maneira que é maior do que a soma de suas partes, exibindo propriedades mais complexas. “A maioria das interações úteis na computação quântica advém do acoplamento não linear de luz e matéria. Se for possível obter uma gama mais versátil de diferentes tipos de acoplamento e aumentar a força do acoplamento, será possível essencialmente aumentar a velocidade de processamento do computador quântico”, explica Ye.
Para a leitura quântica, os pesquisadores incidem luz de micro-ondas sobre um qubit e, dependendo se o qubit está no estado 0 ou 1, há uma mudança de frequência no ressonador de leitura associado. Eles medem essa mudança para determinar o estado do qubit. O acoplamento não linear de luz-matéria entre o qubit e o ressonador permite esse processo de medição.
Os pesquisadores do MIT projetaram uma arquitetura com um acoplador quarton conectado a dois qubits supercondutores em um chip. Eles transformam um qubit em um ressonador e usam o outro qubit como um átomo artificial que armazena informações quânticas. Essas informações são transferidas na forma de partículas de luz em micro-ondas chamadas fótons. “A interação entre esses átomos artificiais supercondutores e a luz de micro-ondas que direciona o sinal é basicamente como um computador quântico supercondutor inteiro é construído”, explica Ye.
Permitindo uma leitura mais rápida
O acoplador quarton cria um acoplamento não linear de luz-matéria entre o qubit e o ressonador, cerca de uma ordem de magnitude mais forte do que os pesquisadores já haviam alcançado. Isso poderia permitir um sistema quântico com leitura extremamente rápida. “Este trabalho não é o fim da história. Esta é a demonstração da física fundamental, mas há um trabalho em andamento no grupo agora para obter uma leitura realmente rápida”, diz O’Brien.
Isso envolveria adicionar componentes eletrônicos adicionais, como filtros, para produzir um circuito de leitura que poderia ser incorporado a um sistema quântico maior. Os pesquisadores também demonstraram um acoplamento matéria-matéria extremamente forte, outro tipo de interação de qubits importante para operações quânticas. Esta é outra área que eles planejam explorar em trabalhos futuros. Operações e leituras rápidas são especialmente importantes para computadores quânticos porque os qubits têm vida útil finita, um conceito conhecido como tempo de coerência.
Um acoplamento não linear mais forte permite que um processador quântico funcione mais rápido e com menos erros, permitindo que os qubits realizem mais operações no mesmo período de tempo. Isso significa que os qubits podem executar mais rodadas de correção de erros durante sua vida útil. “Quantas mais execuções de correção de erros você conseguir realizar, menor será o erro nos resultados”, diz Ye. A longo prazo, esse trabalho pode ajudar os cientistas a construir um computador quântico tolerante a falhas, o que é essencial para a computação quântica prática em larga escala.
