Entendendo Qubits – Avanços em Teletransporte e Interação Controlada

Muitas coisas estão acontecendo no mundo da computação quântica. O gigante de chips Nvidia (NVDA ) lançou a plataforma de código aberto CUDA-Q para acelerar os esforços de computação quântica, enquanto a China criou seu maior chip de computação quântica. Além disso, cientistas da Universidade de Manchester desenvolveram silício ultra-puro que abre caminho para computadores de próxima geração.

Todo esse entusiasmo e desenvolvimento em torno dos computadores quânticos faz sentido, já que a tecnologia tem um potencial imenso em diversos campos, incluindo criptografia, descoberta de medicamentos, resolução de problemas complexos de otimização, aprimoramento de algoritmos de aprendizado de máquina e muito mais.

Os computadores quânticos podem alcançar tudo isso aproveitando a teoria quântica, que descreve o comportamento e a natureza da matéria e da energia em níveis atômicos e ainda menores, subatômicos. A computação quântica utiliza partículas subatômicas como fótons e elétrons. Os qubits (bits quânticos) permitem que essas partículas existam em múltiplos estados simultaneamente e são manipulados por dispositivos de controle.

Para lidar com velocidades exponencialmente mais rápidas que seu computador tradicional, consumindo menos energia, os computadores quânticos utilizam superposição e emaranhamento.

Superposição envolve combinar dois ou mais estados quânticos para criar outro estado quântico válido. A superposição dos qubits permite que os computadores quânticos processem milhões de operações simultaneamente.

Emaranhamento ocorre quando dois sistemas estão ligados de modo que conhecer o estado de um fornece conhecimento imediato sobre o outro. Isso permite que os computadores quânticos resolvam problemas complexos rapidamente.

O problema aqui é a decoerência, que é a perda do estado quântico em um qubit devido a fatores como radiação, vibração ou mudança de temperatura. Isso causa erros na computação. Para proteger os qubits da interferência, eles são colocados em câmaras de vácuo, isolamento, e refrigeradores superresfriados. 

Como vimos, os qubits desempenham um papel crítico na computação quântica, mas nem tudo se sabe sobre eles. No entanto, dois experimentos independentes recentes ampliaram nossa compreensão dos qubits, marcando um passo importante rumo à construção de um computador quântico funcional.

Teletransporte Quântico Alcançado

Novas pesquisas conseguiram alcançar o teletransporte quântico apesar de todo o ruído que normalmente interrompe a transferência do estado quântico. No teletransporte, um qubit é transferido de um local para outro sem enviar a partícula em si. 

Em teoria, a transferência do estado quântico pode ser feita sem nenhum problema, mas no mundo real, interrupções e ruídos degradam a qualidade do teletransporte quântico. Portanto, os pesquisadores do estudo mais recente descobriram que alcançar um teletransporte quântico perfeito apesar do ruído é uma grande conquista.

Publicado na revista Science Advances, o estudo discute como o emaranhamento e a decoerência são forças contrárias em muitos protocolos e tecnologias quânticas. 

De acordo com a pesquisa, o emaranhamento quântico que ocorre em correlações que se estendem por distâncias arbitrariamente longas é muito significativo para os fundamentos da mecânica quântica. Ele tem muitas aplicações no processamento de informações e comunicação. No entanto, as interações entre um sistema quântico e seu ambiente são inevitáveis, e a decoerência pode degradar severamente o desempenho dessas aplicações.

Embora existam muitos protocolos promissores de supressão da decoerência, com trabalhos recentes explorando subespaços livres de decoerência, desacoplamento dinâmico, códigos de correção de erros quânticos, feedback quântico coerente retardado, e engenharia de reservatórios com subsistemas auxiliares, evitar a decoerência é extremamente exigente na prática.

Dessa forma, o estudo propôs um protocolo eficiente para teletransporte quântico em decoerência absoluta. 

O estudo, conduzido por pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei, e da Universidade de Turku, Finlândia, utilizou emaranhamento híbrido multipartite entre os qubits auxiliares e seus ambientes locais dentro do contexto de sistema quântico aberto, permitindo alcançar alta precisão. 

Segundo os pesquisadores, a óptica linear é uma plataforma particularmente robusta para executar diferentes protocolos de informação quântica e estudar problemas com decoerência. 

O trabalho deste estudo, segundo Jyrki Piilo, professor da Universidade de Turku, utiliza a noção de emaranhamento distribuído. Essa distribuição de emaranhamento vai além dos qubits usados e é feita antes de operar o protocolo. Isso significa “explorar o emaranhamento híbrido entre diferentes graus de liberdade físicos,” disse Piilo.

Tradicionalmente, a polarização de fótons tem sido usada para emaranhar qubits no teletransporte. No entanto, a nova abordagem aproveita o emaranhamento híbrido entre a polarização de fótons e a frequência.

Isso traz uma grande mudança em como o ruído influencia o protocolo. A descoberta, de fato, “inverte o papel do ruído de prejudicial para benéfico ao teletransporte,” afirmou Piilo.

Tradicionalmente, o protocolo de teletransporte não funciona quando há não apenas ruído durante o emaranhamento de qubits, mas também quando o emaranhamento híbrido está presente inicialmente sem nenhum ruído. Ao contrário disso, ao ter emaranhamento híbrido e então adicionar ruído, tanto o teletransporte quanto a transferência do estado quântico ocorrem quase perfeitamente.

Dessa forma, a descoberta mais recente permite um teletransporte quase ideal apesar do ruído associado ao uso de fótons.

Os pesquisadores chamam isso de “experimento de prova de princípio significativo,” com o Dr. Zhao-Di Liu da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei, observando:

“Embora tenhamos realizado inúmeros experimentos sobre diferentes facetas da física quântica com fótons em nosso laboratório, foi muito empolgante e gratificante ver este experimento de teletransporte tão desafiador concluído com sucesso.”

O estudo observou que, além de combater a decoerência, o emaranhamento híbrido também os ajudou a acrescentar outra camada de segurança. O estudo declarou:

“Seria uma linha interessante de pesquisa futura investigar quão profundamente a informação teletransportada pode ser ocultada.”

É apenas o começo, com o estudo tendo importância fundamental ao abrir novos caminhos para trabalhos futuros em protocolos quânticos, tendo este como pesquisa base. Uma forma de aplicar a técnica é na transferência de estado fora do teletransporte quântico e além dos subespaços livres de decoerência.

A pesquisa também abre a possibilidade de verificar se a decoerência pode ser revertida em outras plataformas físicas, incluindo diferentes fontes de ruído.

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Realizando um Portão de Dois Qubits em um Transistor de Silício Convencional

O outro estudo, que foi conduzido por pesquisadores da universidade mais antiga da Suíça, a Universidade de Basel, em colaboração com aqueles do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) SPIN, fez uma descoberta ao obter uma interação controlável entre dois qubits de spin de buraco em um transistor de silício tradicional. 

Publicado na Nature, o estudo, que recebeu financiamento de acesso aberto da Universidade de Basel, observou que os qubits de spin semicondutores oferecem o potencial de empregar a tecnologia de transistores industriais para produzir computadores quânticos em larga escala. 

Para que um computador quântico execute cálculos, ele precisa de “portões quânticos”, que são operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Os pesquisadores do estudo mais recente conseguiram não apenas acoplar dois qubits, mas também provocar uma inversão controlada de um de seus spins, que depende do estado de spin do outro. O acoplamento depende da interação de troca dos dois qubits de spin.

“Os spins de buraco nos permitem criar portões de dois qubits que são rápidos e de alta fidelidade. Esse princípio agora também possibilita acoplar um número maior de pares de qubits.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Os pesquisadores já demonstraram há alguns anos que os spins de buraco em um dispositivo eletrônico existente podem ser capturados e usados como qubits. Agora, Kuhlmann liderou essa equipe de físicos de Basel ao sucesso na realização de uma interação entre dois qubits que pode ser controlada.

Embora os qubits em questão se beneficiem por serem controláveis eletricamente e possuírem pontos ótimos para neutralizar carga e ruído, demonstrar uma interação de dois qubits tem sido desafiador.

Um fator ausente, segundo o estudo, tem sido a compreensão do acoplamento de troca durante uma forte interação spin-órbita. Para abordar isso, os cientistas pesquisaram dois qubits de spin de buraco em um transistor de efeito de campo fin (FinFET) de silício. O acoplamento spin-órbita significa que o estado de spin de um buraco é afetado por seu movimento no espaço.

Assim, os qubits de spin de ponto quântico (QD) semicondutores são vistos como os mais adequados para futuras implementações de circuitos quânticos em larga escala. No entanto, mesmo o processador quântico baseado em spin mais avançado atualmente permite controle universal de seis qubits de spin de elétron em silício (Si). Isso é seguido de perto por uma demonstração de quatro qubits com buracos em germânio.

Para o estudo, os pesquisadores usaram um qubit que utiliza o spin de um elétron ou de um buraco. Tanto elétrons quanto buracos giram e adotam o estado para cima ou para baixo.

Os spins de buraco, comparados aos spins de elétron, podem ser controlados completamente eletricamente sem a necessidade de degenerescência orbital ou componentes adicionais como micromagnetos integrados, que aumentam a complexidade. Isso se deve à sua interação spin-órbita (SOI) intrínseca. Os buracos ainda se beneficiam de interação hiperfina reduzida e da ausência de um vale.

Dessa forma, o estudo demonstra a capacidade de controlar eletricamente a troca e realizar uma inversão de spin condicional em 24 ns. O Hamiltoniano de troca não possui mais a forma de Heisenberg e pode ser projetado para habilitar portões de rotação controlada de dois qubits sem sacrificar velocidade por precisão ou vice‑versa. Segundo a pesquisa:

“Esse comportamento ideal se aplica a uma ampla gama de orientações de campo magnético, tornando o conceito robusto em relação a variações de qubit para qubit, indicando que é uma abordagem adequada para realizar um computador quântico em larga escala.”

Este estudo sugere o potencial de organizar milhões de qubits de spin de buraco em apenas um chip. Sua abordagem também demonstra grande possibilidade para o desenvolvimento de um computador quântico em larga escala.

Melhorias futuras na fabricação de dispositivos são necessárias para reduzir a variabilidade. Quando combinados com pontos ótimos de rotação controlada (CROT) robustos, esses avanços “tornarão as operações de portões de dois qubits com troca anisotrópica altamente atraentes para arranjos de qubits em larga escala.”

Os avanços da pesquisa, se combinados com leitura rápida e operação acima de 1 K, podem permitir que o FinFET seja usado como um processador quântico universal disposto em um chip usado em eletrônica de controle clássico.

Empresas Envolvidas no Desenvolvimento de Computadores Quânticos

Agora, vamos dar uma olhada nas empresas que trabalham ativamente em computadores quânticos:

#1. IBM

A IBM tem liderado a pesquisa em computação quântica por muitos anos e desenvolveu o IBM Q System One, o primeiro computador quântico comercial baseado em circuitos. A empresa fornece acesso aos seus sistemas quânticos através da plataforma IBM Quantum Experience. 

No início deste mês, a IBM revelou seu processador quântico com mais de 1.000 qubits, Condor, e seu processador de escala utilitária IBM Quantum Heron com 133 qubits. Também anunciou o lançamento de um computador quântico modular, Quantum System Two. Enquanto isso, através da pilha de software Qiskit, a IBM pretende tornar o desenvolvimento da computação quântica amplamente acessível.

Este ano, o laboratório nacional de pesquisa japonês RIKEN anunciou que implantará o processador quântico da IBM e a arquitetura de computador quântico para integração com o supercomputador Fugaku. 

A pesquisa recente da empresa no campo, por sua vez, inclui:

• Memória quântica tolerante a falhas de alto limiar e baixo overhead.
• Codificação de um estado mágico com fidelidade além do ponto de equilíbrio.
• Simulação de cadeias de spin quânticas de grande porte em computadores quânticos supercondutores baseados na nuvem.

No momento da redação, as ações da empresa estão sendo negociadas a $167.36, alta de 2.33% YTD, enquanto sua capitalização de mercado é $153.73 bln. A IBM reportou receita (TTM) de $62.07bln, EPS (TTM) de 9.19 e P/E (TTM) de 18.22. O rendimento de dividendos é 3.99%.

Durante seu recente relatório financeiro do Q1 2024, a IBM viu sua receita aumentar 1.5% YoY durante o trimestre para $14.5 bln e fluxo de caixa livre de $1.9 billion. A empresa observa que seu “crescimento sólido de receita e fluxo de caixa livre” reflete a força de sua estratégia de nuvem e IA.

#2. Google 

No mundo da computação quântica, a Google tem avançado com seu laboratório Quantum AI, que trabalha tanto em hardware quanto em software. Há alguns anos, a divisão lançou o Sycamore, um processador quântico de 53 qubits. Atualmente, o hardware do gigante tecnológico está focado em qubits supercondutores, enquanto sua pilha avançada de software explora o poder da computação quântica. 

Alguns meses atrás, a Google lançou uma competição global de vários anos para encontrar casos de uso reais para a computação quântica com um prêmio de $5 million, que será dividido entre os finalistas. A Google observou em março:

“Embora existam muitas razões para ser otimista quanto ao potencial da computação quântica, ainda estamos um tanto quanto no escuro sobre o escopo completo de como, quando e para quais problemas do mundo real essa tecnologia provará ser mais transformadora.” 

A pesquisa recente da empresa neste campo inclui a supressão de erros quânticos ao escalar um qubit lógico de código de superfície, transição de fase em amostragem de circuitos aleatórios, e emaranhamento e teletransporte induzidos por medição em um processador quântico ruidoso.

No momento da redação, as ações da empresa estão sendo negociadas a $107.48, alta de 21.94% YTD, enquanto sua capitalização de mercado é $2.12 trillion. A Google reportou receita (TTM) de $218.14bln enquanto tem um EPS (TTM) de 6.52 e um P/E (TTM) de 26/13. Ela paga um rendimento de dividendos de 0.47%.

Para seus resultados do 1Q24, a empresa reportou um salto de 13% na receita, chegando a $86.3 bln, lucro líquido de $20.28 bln e o primeiro dividendo de $20 por ação. Na primavera de 2024, sua capitalização de mercado atingiu um novo marco de $2 trillion, tornando-a a quarta empresa pública mais valiosa do mundo.

Conclusão

Tem havido uma corrida para construir um computador quântico funcional, para a qual os pesquisadores estão focados em entender os qubits e trabalhar com diferentes tecnologias de qubits. Os qubits são a base do computador quântico, pois lidam com todo o processamento, transferência e armazenamento de dados. Portanto, toda a pesquisa tem se concentrado nos qubits, incluindo os dois últimos abordados aqui, que visam ajudar na construção de um computador quântico prático.

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