Resumo:
Uma equipe internacional de pesquisa científica propôs recentemente um novo método de leitura de informações quânticas, que deverá obter o estado qubit sem perturbar significativamente o sistema quântico, fornecendo um caminho técnico mais eficiente para o monitoramento e controle de futuros computadores quânticos. A pesquisa mostra que um tipo de dispositivo quântico chamado "qubits de Andreev" pode expor seu estado interno por meio do sinal de corrente que gera, reduzindo assim a destruição de informações quânticas durante as medições tradicionais.
Em computadores clássicos, os bits só podem assumir dois estados: 0 ou 1. No entanto, os qubits na computação quântica podem não apenas representar 0 e 1, mas também podem estar em um estado quântico formado pela superposição dos dois. É essa característica que faz com que se espere que os computadores quânticos superem em muito o desempenho dos computadores tradicionais em tarefas específicas. Mas, ao mesmo tempo, os estados quânticos são extremamente frágeis e tanto a interferência ambiental como o próprio ato de medição podem alterar o seu estado e causar perda de informação.
Esta pesquisa se concentra nos qubits de Andreev. Esses qubits são baseados em estados quânticos especiais formados entre materiais supercondutores. O sistema projetado pela equipe de pesquisa consiste em um nanofio de arsenieto de índio extremamente fino. As duas extremidades do nanofio são conectadas a materiais supercondutores e um ponto quântico é formado no meio para limitar o espaço de atividade eletrônica. O estado do qubit de Andreev é formado neste ambiente microscópico.
José Carlos Egues, um dos líderes da pesquisa e professor do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo, no Brasil, disse que, no âmbito da mecânica quântica tradicional, a medição direta de qubits muitas vezes faz com que eles entrem em colapso em um determinado estado, destruindo assim a informação originalmente preservada. Portanto, muitas soluções atuais de computação quântica introduzirão qubits auxiliares como "intermediários" para primeiro transferir informações para os qubits auxiliares e depois medir estes últimos para minimizar o impacto nos qubits alvo.
No entanto, este método requer equipamentos e etapas operacionais adicionais, o que aumenta a complexidade do sistema. A equipe de pesquisa propôs uma ideia diferente, que é utilizar diretamente o sinal gerado pelo próprio qubit alvo para ler informações sem recorrer a qubits auxiliares.
De acordo com cálculos teóricos, o qubit é colocado em um circuito supercondutor fechado e há uma supercorrente fluindo sem resistência no circuito. A pesquisa descobriu que quando os qubits estão em um estado de superposição, a interferência quântica entre diferentes estados faz com que algumas supercorrentes produzam oscilações periódicas. Este sinal oscilante é a chave para os pesquisadores obterem informações quânticas.
Normalmente, esse tipo de fenômeno de oscilação requer a aplicação de tensão para ser produzido, que é o famoso efeito AC Josephson. O sistema proposto neste estudo não necessita de tensão externa, e a oscilação é inteiramente derivada do processo de evolução do próprio estado do qubit. Isso significa que o qubit “liberará” ativamente suas próprias informações de estado.
Para detectar esse sinal fraco, os pesquisadores projetaram e usaram o SQUID (interferômetro quântico supercondutor) como dispositivo de leitura. O SQUID é capaz de detectar alterações extremamente fracas no campo magnético. A equipe de pesquisa afirmou claramente que o qubit e o SQUID podem ser considerados duas bússolas próximas uma da outra. A corrente no qubit gerará um campo magnético e o SQUID sentirá essa mudança no campo magnético. Como o acoplamento entre os dois é extremamente fraco, a perturbação produzida pelo dispositivo de medição no próprio qubit também é muito limitada.
Uma análise mais aprofundada revelou que todas as informações importantes sobre o estado do qubit foram codificadas na supercorrente. A supercorrente contém uma parte constante e uma parte oscilante. O valor da corrente constante e a amplitude da oscilação podem revelar a proporção de 0 e 1 no estado quântico, enquanto o tempo em que a oscilação começa reflete a relação de fase entre os dois estados. Ao registrar como a corrente muda ao longo do tempo, os pesquisadores conseguiram reconstruir o estado quântico original do qubit.
Essa abordagem também tem a importante vantagem de permitir que os pesquisadores acompanhem continuamente a evolução dos qubits sem precisar reinicializá-los após cada medição, facilitando a observação do comportamento dinâmico dos sistemas quânticos.
A equipe de pesquisa adicionou fatores realistas, como ruído de medição e feedback da bobina de detecção, ao experimento de simulação. Os resultados mostram que a precisão da medição pode atingir 99,52%, 99,81% e 99,85% respectivamente, dependendo do número de medições. Esses indicadores atingiram os requisitos de precisão comumente usados na atual tecnologia de correção quântica de erros.
Os pesquisadores apontaram que esta solução não resolve fundamentalmente o problema básico do impacto inevitável das medições quânticas, mas pode reduzir esse impacto a um nível muito baixo, ao mesmo tempo que elimina a dependência de qubits auxiliares nas soluções tradicionais de medição não destrutivas.
Este estudo foi concluído em conjunto por pesquisadores da Universidade de São Paulo, no Brasil, e do Instituto de Tecnologia de Pequim, na China. Os resultados relevantes foram publicados na "Physical Review B". A equipa de investigação afirmou que a tecnologia SQUID utilizada para detectar correntes ultrafracas e campos magnéticos já está bastante madura, pelo que não há necessidade de esperar por novos materiais ou avanços tecnológicos de fabrico para implementar esta solução. Todos os parâmetros utilizados no estudo são derivados de sistemas reais. A única coisa que não foi realmente construída é a estrutura específica do dispositivo e o layout experimental proposto pela equipe de pesquisa.
Os pesquisadores acreditam que, enquanto a verificação experimental correspondente for concluída, espera-se que este novo método de leitura de informações quânticas através da supercorrente do próprio qubit se torne uma base técnica importante para futuros computadores quânticos alcançarem monitoramento de alta precisão e baixa interferência.
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