A chave seletora reduz o ruído em computadores quânticos

Um dispositivo que reduz o ruído em computadores quânticos foi apresentado por uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST).

Um dispositivo de “chave seletora” conecta dois qubits supercondutores a um circuito chamado “ressonador de leitura” que pode ler a saída dos cálculos dos qubits.

Esta chave seletora pode ser colocada em diferentes estados para ajustar a força das conexões entre os qubits e o ressonador de leitura.

Quando desativado, todos os três elementos ficam isolados uns dos outros.

Quando a chave é ativada para conectar os dois qubits, eles podem interagir e realizar cálculos.

Assim que os cálculos forem concluídos, a chave seletora pode conectar qualquer um dos qubits e o ressonador de leitura para recuperar os resultados.

Ter uma chave seletora programável ajuda muito na redução do ruído, um problema comum em circuitos de computadores quânticos que torna difícil para os qubits fazerem cálculos e mostrarem seus resultados com clareza.

A foto mostra a região central de funcionamento do aparelho. Na seção inferior, os três retângulos grandes (azul claro) representam os dois bits quânticos, ou qubits, à direita e à esquerda e o ressonador no centro. Na seção superior ampliada, a condução de microondas através da antena (grande retângulo azul escuro na parte inferior) induz um campo magnético no loop SQUID (quadrado branco menor no centro, cujos lados têm cerca de 20 micrômetros de comprimento). O campo magnético ativa a chave seletora. A frequência e magnitude das microondas determinam a posição do switch e a força da conexão entre os qubits e o ressonador. Crédito: K. Cicak e R. Simmond

“O objetivo é manter os qubits felizes para que possam calcular sem distrações, ao mesmo tempo que podem lê-los quando quisermos”, disse Ray Simmonds, físico do NIST e um dos autores do artigo. “Esta arquitetura de dispositivo ajuda a proteger os qubits e promete melhorar nossa capacidade de fazer medições de alta fidelidade necessárias para construir processadores de informação quântica a partir de qubits.”

A equipe também inclui cientistas da Universidade de Massachusetts Lowell, da Universidade do Colorado Boulder e da Raytheon BBN Technologies.

Um dos problemas enfrentados pelos projetistas de computadores quânticos é que os circuitos quânticos são acionados por ruído externo ou mesmo interno, que surge de defeitos nos materiais usados ​​para fabricar os computadores.

Esse ruído é essencialmente um comportamento aleatório que pode criar erros nos cálculos do qubit.

Os qubits atuais são inerentemente barulhentos por si só, mas esse não é o único problema. Muitos projetos de computadores quânticos têm o que é chamado de arquitetura estática, onde cada qubit no processador está fisicamente conectado aos seus vizinhos e ao seu ressonador de leitura.

A fiação fabricada que conecta os qubits entre si e à sua leitura pode expô-los a ainda mais ruído.

Essas arquiteturas estáticas têm outra desvantagem: não podem ser reprogramadas facilmente. Os qubits de uma arquitetura estática poderiam realizar algumas tarefas relacionadas, mas para que o computador executasse uma gama mais ampla de tarefas, seria necessário trocar um design de processador diferente por uma organização ou layout de qubit diferente.

(Imagine trocar o chip do seu laptop toda vez que você precisar usar um software diferente e, em seguida, considere que o chip precisa ser mantido um pouquinho acima do zero absoluto e você entenderá por que isso pode ser inconveniente.)

A chave seletora programável da equipe evita esses dois problemas. Primeiro, evita que o ruído do circuito penetre no sistema através do ressonador de leitura e evita que os qubits conversem entre si quando deveriam estar silenciosos.

“Isso reduz uma fonte importante de ruído em um computador quântico”, disse Simmonds.

Em segundo lugar, a abertura e o fechamento das chaves entre os elementos são controlados por um trem de pulsos de micro-ondas enviados à distância, e não por meio de conexões físicas de uma arquitetura estática. A integração de mais desses interruptores poderia ser a base de um computador quântico mais facilmente programável.