Computação Quântica Um Passo Mais Próximo da Realidade ao Utilizar Osciladores Harmônicos

A corrida pelos computadores quânticos tem sido intensa nos últimos anos, com descoberta de medicamentos, ciência dos materiais, otimização, aprendizado de máquina e criptografia sendo apenas algumas das áreas que serão revolucionadas por seus avanços.

Mas apesar de todo o progresso, construir computadores quânticos que resolvam problemas do mundo real tem sido impedido por três grandes desafios: 

• Estados quânticos frágeis
• Escalar mantendo o controle
• Preservar a coerência

Agora, uma equipe da Chalmers University of Technology na Suécia deu um passo significativo ao enfrentar esses desafios e acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos práticos. Eles publicaram recentemente um novo método na revista Nature para manipular informação quântica usando não‑linearidade ajustável em circuitos supercondutores. Isso permite que operações complexas em estados quânticos multidimensionais sejam realizadas mais rápido e com maior precisão do que nunca.

Construindo Computadores Quânticos Práticos

No coração da computação quântica está o bit quântico, ou qubit, a unidade fundamental da informação quântica. Ao contrário dos bits clássicos, que são 0 ou 1, os qubits podem ser 0 e 1 simultaneamente e tudo entre eles. Os qubits também podem ficar emaranhados uns com os outros, permitindo que computadores quânticos realizem alguns cálculos muito mais rápido que computadores clássicos. 

No entanto, alcançar essa capacidade tem sido um grande desafio. Um dos maiores problemas é a fragilidade dos estados quânticos. Os qubits são sensíveis ao seu ambiente e perdem rapidamente suas propriedades quânticas por decoerência, introduzindo erros na computação quântica e limitando a profundidade dos cálculos.

Outro grande problema é a escalabilidade. À medida que mais qubits são adicionados a um processador quântico, torna-se mais difícil controlar as interações entre eles e implementar as portas quânticas. Isso ocorre porque os sistemas de controle e o cross‑talk entre qubits se tornam mais complexos.

E há um trade‑off entre coerência e controlabilidade. Técnicas que tornam os qubits mais coerentes, como códigos de correção de erros, exigem mais recursos e limitam algumas operações. Sistemas que têm mais controle sobre qubits individuais, como íons aprisionados ou circuitos supercondutores, são mais ruidosos e mais propensos à decoerência.

“Pense em um qubit como uma lâmpada azul que, mecanicamente quântica, pode estar ligada e desligada simultaneamente. Em contraste, um sistema quântico de variável contínua é como um arco‑íris infinito, oferecendo um gradiente contínuo de cores. Isso ilustra sua capacidade de acessar um número vasto de estados, proporcionando possibilidades muito mais ricas que os dois estados de um qubit.” 

– Axel Eriksson, pesquisador em tecnologia quântica na Chalmers University of Technology e autor principal do estudo

Clique aqui para aprender sobre o estado atual da computação quântica. 

Não‑Linearidades Ajustáveis em Circuitos Supercondutores

A equipe da Chalmers University, liderada pelos Drs. Axel M. Eriksson e Simone Gasparinetti, resolveu esses problemas usando circuitos supercondutores. Eles desenvolveram um componente especial chamado ressonador Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL).

Os SNAILs são elementos de circuito supercondutor com forte não‑linearidade ajustável. É um laço supercondutor com junções Josephson, barreiras isolantes finas que permitem que pares de Cooper (pares ligados de elétrons) tunelam através delas. Ao organizar as junções de forma assimétrica, criaram um elemento de circuito com indutância não‑linear.

“Criamos um sistema que realiza operações complexas em um sistema quântico de múltiplos estados mais rápido do que nunca.” 

– Autora sênior Dra. Simone Gasparinetti, líder do 202Q‑lab na Chalmers University

O ponto chave que a equipe da Chalmers fez foi colocar um ressonador SNAIL dentro de uma cavidade micro‑ondas supercondutora, que é um modo bosônico para codificar informação quântica. Eles aplicaram pulsos de micro‑ondas a esse sistema híbrido e ativaram e desativaram a não‑linearidade no SNAIL para executar todo tipo de operações quânticas de forma rápida e precisa.

Computação Quântica de Variável Contínua

Uma das coisas únicas sobre a abordagem da equipe da Chalmers é que ela vai além do paradigma do qubit e usa estados quânticos de variável contínua (CV).

Em um sistema quântico CV, a informação é codificada nas quadraturas de amplitude e fase de um oscilador harmônico, como o campo de uma cavidade micro‑ondas. Essas quadraturas podem assumir um intervalo contínuo de valores, não apenas 0 e 1 como os qubits.

De acordo com a autora sênior Dra. Simone Gasparinetti, líder do 202Q‑lab na Chalmers University:

“Criamos um sistema que permite operações extremamente complexas em um sistema quântico de múltiplos estados, a uma velocidade sem precedentes.” 

(i) Primeiro, um único modo CV pode codificar a quantidade de informação de múltiplos qubits, o que significa menos hardware para computação quântica tolerante a falhas. (ii) Segundo, a natureza dos estados CV permite códigos de correção de erro melhores, que são necessários para computação quântica com ruído e decoerência.

No entanto, um grande problema na computação quântica CV são as operações não‑gaussianas, que são necessárias para a computação quântica universal. Operações gaussianas como deslocamento e compressão (squeezing) do estado do oscilador podem ser feitas com elementos ópticos lineares ou circuitos de micro‑ondas, mas isso não é suficiente para aceleração quântica porque pode ser simulado classicamente.

Operações não‑gaussianas requerem interações não‑lineares, que são muito mais difíceis de criar e controlar. Tentativas anteriores de combinar modos CV com elementos não‑lineares foram frustradas pelo efeito Kerr, que corrompe a informação quântica e reduz a fidelidade da operação.

A equipe da Chalmers resolveu isso ao projetar a não‑linearidade dentro do ressonador SNAIL. Eles operam o SNAIL em um ponto chamado “livre de Kerr”, onde a não‑linearidade Kerr indesejada é suprimida, e a não‑linearidade de terceira ordem necessária para operações não‑gaussianas é preservada.

“Nossa comunidade costuma manter os elementos supercondutores afastados dos osciladores quânticos, para não bagunçar os frágeis estados quânticos. Neste trabalho, desafiamos esse paradigma. Ao incorporar um dispositivo de controle no coração do oscilador, conseguimos evitar a bagunça dos múltiplos estados quânticos ao mesmo tempo em que podíamos controlá‑los e manipulá‑los. Como resultado, demonstramos um conjunto inovador de operações de portas realizadas a velocidade muito alta.” 

– Simone Gasparinetti

Um Conjunto Universal de Portas

Para demonstrar o que podem fazer, eles criaram um conjunto universal de portas em sua plataforma de ressonador SNAIL. Isso inclui portas gaussianas como deslocamento e compressão e uma porta de fase cúbica, que é não‑gaussiana.

As portas gaussianas foram criadas aplicando pulsos de micro‑ondas em frequências específicas ao circuito SNAIL. Conduzir na frequência fundamental gera deslocamento, e conduzir na segunda harmônica gera compressão. Isso serve para preparar e manipular estados coerentes e comprimidos, que são os blocos para o processamento de informação quântica CV.

A porta de fase cúbica foi criada combinando uma interação de “trissqueezing” (conduzindo a três vezes a frequência fundamental) com impulsos em frequências mais baixas. Isso aplica um deslocamento de fase não‑linear ao estado do oscilador que é proporcional ao cubo da amplitude, daí o nome “fase cúbica”.

A porta de fase cúbica é necessária para a computação quântica CV universal porque gera estados altamente não‑clássicos como os estados Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP), que servem para correção de erro quântica tolerante a falhas. A porta de fase cúbica combinada com portas gaussianas produz um estado não‑gaussiano determinístico chamado “estado de fase cúbica”.

As portas criadas pela equipe da Chalmers foram feitas com pulsos tão curtos quanto dezenas de nanosegundos. Isso é 10‑100 vezes mais rápido que implementações anteriores com acoplamentos dispersivos qubit‑oscilador. Isso se deve à forte não‑linearidade no ressonador SNAIL.

Preparação Determinística do Estado de Fase Cúbica

Outro exemplo é a equipe da Chalmers usando seu conjunto universal de portas para criar um estado quântico altamente não‑clássico chamado estado de fase cúbica. Estados de fase cúbica são necessários para correção de erro quântica, metrologia quântica e computação quântica baseada em medições CV.

A preparação do estado de fase cúbica foi feita aplicando portas ao estado fundamental (vácuo) do ressonador SNAIL. Primeiro, uma porta de compressão de 20 ns foi aplicada para criar um estado de vácuo comprimido. Em seguida, uma porta de fase cúbica de 40 ns foi aplicada a esse estado comprimido, e voilà, um estado de fase cúbica com cubiticidade de 0,11.

O estado foi caracterizado com tomografia de Wigner, que gera uma distribuição de espaço de fase do estado quântico. A função de Wigner apresentava fortes valores negativos, o que é não‑clássico e não pode ser observado em nenhum estado de oscilador clássico.

A fidelidade do estado de fase cúbica em relação ao estado alvo foi de 92 %. Eles demonstraram que a cubiticidade do estado pode ser aumentada simplesmente estendendo a duração da porta de fase cúbica. Isso é muito melhor que os métodos anteriores de preparação de estado, que exigiam uma re‑otimização completa da sequência de controle para cada valor de cubiticidade.

Espaço para Melhorias e Trabalhos Futuramente

Embora o que a equipe da Chalmers já fez seja digno de elogios, ainda há mais a ser feito:

Ressonador SNAIL

Uma limitação das operações quânticas é o tempo de coerência do ressonador SNAIL. Eles têm tempos de coerência de alguns microssegundos, o que é suficiente por enquanto, mas tempos de coerência mais longos permitirão circuitos quânticos mais complexos e profundos. Otimizar os parâmetros do circuito SNAIL para reduzir o ruído de fluxo, além de proteger e filtrar o ambiente de micro‑ondas, são formas de melhorar a coerência.

Isso inclui:

• Tempo de coerência do ressonador SNAIL (alguns microssegundos são suficientes por enquanto, mas tempos mais longos permitirão circuitos mais complexos)
• Otimização dos parâmetros do circuito SNAIL para reduzir o ruído de fluxo
• Proteção e filtragem do ambiente de micro‑ondas

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Escalabilidade

Outra área a melhorar é a escalabilidade. O experimento foi realizado com um único SNAIL, mas um computador quântico em larga escala precisa de múltiplos SNAILs. Para escalar, pode‑se usar vários SNAILs, cada um conectado à sua própria cavidade de micro‑ondas. Essa configuração permite a criação de portas multi‑qubit e estados emaranhados ao projetar o acoplamento entre as cavidades. Contudo, isso requer controle sobre a fabricação e o ajuste dos SNAILs para que sejam homogêneos e reproduzíveis.

• Escalabilidade (um SNAIL agora, mas um computador quântico em larga escala precisa de múltiplos)
• Uma matriz de SNAILs, cada um com sua própria cavidade de micro‑ondas
• Portas multi‑qubit e estados emaranhados através da matriz por acoplamento entre cavidades
• Controle sobre a fabricação e ajuste dos SNAILs para que sejam homogêneos e reproduzíveis

Além de escalar o número de modos CV, também precisamos escalar o número de fótons em cada modo. A não‑linearidade do ressonador SNAIL desvia de seu comportamento ideal em números de fótons mais altos, o que limita o tamanho do espaço de Hilbert computacional. 

Uma forma de corrigir isso é usar um design multi‑SNAIL no qual a não‑linearidade de cada SNAIL é projetada para cancelar em ordens superiores, preservando as interações de ordem inferior.

Outros avanços plausíveis incluem:

• Mais modos CV
• Mais fótons em cada modo
• A não‑linearidade no ressonador SNAIL faz com que ele desvie do comportamento ideal em números de fótons mais altos
• Limita o tamanho do espaço de Hilbert computacional
• Design multi‑SNAIL: a não‑linearidade de cada SNAIL cancela em ordens superiores enquanto preserva as interações de ordem inferior

Olhando para o futuro, a equipe da Chalmers quer integrar sua plataforma de ressonador SNAIL com outras arquiteturas de computação quântica para criar sistemas híbridos. Por exemplo, interações mediadas por SNAIL podem ser usadas para emaranhar qubits supercondutores e modos CV, criando estados multi‑qubit complexos. As portas CV rápidas e eficientes deste trabalho podem ser usadas para correção de erro quântica em qubits codificados, o que tornará os processadores quânticos mais robustos e escaláveis.

Uma perspectiva empolgante para o futuro é integrar a plataforma de ressonador SNAIL com sistemas quânticos ópticos. Circuitos supercondutores são bons para computação quântica, operando em frequências de micro‑ondas e temperaturas criogênicas. Em contraste, sistemas quânticos ópticos, que funcionam em temperatura ambiente, são ideais para comunicação quântica de longa distância. Ao desenvolver um conversor de frequência quântica, podemos combinar o melhor de ambos os mundos para criar um computador quântico escalável e em rede.

Conclusão

O que a equipe da Chalmers alcançou é um grande avanço para computadores quânticos práticos. Eles usaram não‑linearidade ajustável em circuitos supercondutores para desenvolver um computador quântico eficiente em hardware e controlável, capaz de executar rápida e precisamente operações complexas em estados quânticos multidimensionais.

Isso representa um novo paradigma na computação CV‑NISQ. Ressonadores SNAIL podem resolver problemas difíceis em química quântica, otimização e aprendizado de máquina. À medida que essa tecnologia amadurece e escala, abrirá aplicações que não são possíveis com computadores clássicos.

Entretanto, construir computadores quânticos em larga escala e tolerantes a falhas ainda apresenta desafios consideráveis, incluindo o tempo de coerência dos circuitos supercondutores, o número de qubits e modos CV, e as interfaces entre plataformas de computação quântica.

Apesar desses desafios, a computação quântica como ciência aplicada avançou muito, e a equipe da Chalmers desempenhou um papel instrumental ao ultrapassar suas barreiras. Eles acrescentaram ao conjunto de ferramentas da computação quântica e nos mostraram novas formas de usar a mecânica quântica. Agora, estamos um passo mais próximos da computação quântica acessível.

À medida que teoria e experimentos avançam mais rápido, o futuro da computação quântica nunca pareceu tão promissor. Computadores quânticos proporcionarão acelerações exponenciais para uma ampla gama de tarefas computacionais em áreas como descoberta de medicamentos, design de materiais, criptografia e inteligência artificial. Associados a avanços em tecnologias como IA, esses desenvolvimentos nos asseguram que o mundo está à beira de mudanças transformadoras que são difíceis de imaginar plenamente.

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