Para computação quântica, 99% de precisão é suficiente?

Equipes de pesquisadores da Delft University of Technology na Holanda, Riken no Japão e da University of New South Wales (UNSW) em Sydney desenvolveram diferentes dispositivos quânticos em silício com fidelidade operacional superior a 99%. Seu trabalho foi publicado separadamente na Nature em 20 de janeiro . As duas primeiras equipes usam os spins de dois elétrons para alcançar seus resultados, enquanto os pesquisadores da Austrália usam os spins de dois núcleos e um elétron.

Andrea Morello , professor da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW, explica que seu grupo conseguiu uma operação de spin nuclear de 1 bit quântico (qubit) com até 99,95% de fidelidade e uma operação de 2 qubit em um sistema de 3 qubit com até precisão de 99,37.

John Martinis , professor de física da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e ex-arquiteto-chefe do processador quântico Sycamore do Google , comentando o avanço, observa que uma fidelidade de 99% “representa o limite para a correção de erros, que tem sido um objetivo de longo prazo. É claro que a fidelidade precisa ser melhorada, mas esta pesquisa é um passo importante para mostrar que os qubits podem ser controlados com precisão.”

“Quando as taxas de erro são tão baixas, a detecção e a correção de erros podem ser aplicadas com sucesso”, diz Morello.

“Isso é como uma porta que leva a um computador quântico escalável.”

—Andrea Morello, Universidade de Nova Gales do Sul

Ele acrescenta que a vantagem de usar spins de núcleos é que eles têm uma fidelidade extremamente alta. “ Demonstramos em 2015 que poderíamos obter 99,99% de precisão de operação de bits quânticos usando núcleos girando em silício porque os núcleos não interagem com o resto do mundo”. Além disso, esse isolamento permitiu que os núcleos preservassem suas informações quânticas por notáveis 35 segundos — “uma eternidade quando comparados aos cerca de cem microssegundos obtidos pelos computadores quânticos supercondutores do Google e da IBM”, diz Morello.

No entanto, a ironia dessa abordagem era que o isolamento absoluto também significava que os núcleos estavam isolados uns dos outros e, portanto, eram incapazes de realizar operações além de um qubit. Mas agora, conforme descrito em seu último artigo na Nature, os pesquisadores superaram esse obstáculo implantando dois átomos de fósforo ionizados em um substrato de silício e inserindo um elétron entre eles. Os átomos são cada um menos um elétron para torná-los carregados positivamente e, portanto, capazes de serem acelerados.

“O elétron se enrola em torno dos dois núcleos e, em seguida, giramos 360 graus usando ressonância magnética – uma técnica comum – para transmitir um sinal de menos ao estado dos núcleos sobre os quais a rotação do elétron está condicionada”, diz Morello. Em termos práticos, essa rotação de elétrons faz com que o spin do segundo núcleo gire se o primeiro núcleo estiver apontando para baixo. Mas se o primeiro núcleo estiver apontando para cima, o segundo núcleo não se moverá. (Veja o vídeo abaixo para mais detalhes.)

Isso constitui uma operação lógica de 2 qubits que, juntamente com a adição da operação lógica de 1 qubit, “nos dá o que é chamado de conjunto de portas universais ”, diz Morello. “Isso significa que qualquer função computável agora pode ser criada usando uma sequência dessas operações.”

Para medir a fidelidade dos qubits, os pesquisadores usaram uma técnica desenvolvida no Sandia National Laboratories, em Albuquerque, chamada de tomografia por conjunto de portas (GST). GST faz uma variedade de medições e então sintetiza os resultados para produzir uma imagem de alta resolução das portas lógicas, que, no caso dos qubits UNSW, provou a precisão operacional de suas taxas de erro.

Além de produzir operações nucleares universais com mais de 99% de fidelidade, Morello diz que a rotação do elétron também pode ser usada para criar um estado emaranhado de todos os três qubits. Isso é importante porque o elétron pode então ser emaranhado com outros elétrons, que podem emaranhar seus próprios núcleos, algo que pode ser repetido várias vezes. “Então, isso é como uma porta que leva a um computador quântico escalável”, diz Morello.

“Para construir um sistema quântico complexo, você precisa aumentar o número de qubits e mostrar que pode ativar e desativar as várias interações qubit-qubit e ainda manter a precisão dos portões quânticos”, diz Martinis . “Construir um sistema tão complexo é o próximo passo.”

Morello reconhece os desafios que temos pela frente. Ele aponta que para construir um qubit lógico completamente protegido contra erros que possa codificar um bit quântico de informação exigirá alguns milhares de bits quânticos adicionais conectados de tal forma que sempre que ocorrer um erro (por exemplo, a rotação acidental de um dos as rodadas), o erro pode ser detectado e corrigido. No entanto, ele acrescenta que tal tarefa pode não ser tão assustadora quanto parece à primeira vista. Ele esteve envolvido em pesquisas realizadas na Universidade de Melbourne , na Austrália, que aperfeiçoou uma técnica usando um estêncil ou máscara móvel e um microscópio de força atômica para embutir átomos individuais em um substrato de silício um de cada vez com alta precisão que pode ser usado para criar um microprocessador qubit. O trabalho foi publicado em outubro passado emMateriais Avançados .

“Essa técnica nos permitirá fazer grandes arranjos de átomos em posições regulares, semelhantes aos transistores em semicondutores convencionais”, diz Morello. Em outras palavras, embora ele concorde que há muito mais trabalho a fazer, ele acredita que todas as peças do quebra-cabeça necessárias para criar um computador quântico universal confiável e escalável já estão no lugar.

Consultado a: 29\01\2022

https://spectrum.ieee.org/qubits-99-percent-accuracy