Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Construir um computador que possa resolver problemas além do alcance das máquinas atuais exige uma mudança fundamental na forma como armazenamos informações. No mundo quântico, a unidade básica de dados é frágil; ela é facilmente perturbada pelo menor sussurro de calor ou ruído eletromagnético, fazendo com que o cálculo colapse. Para construir uma máquina confiável, os cientistas devem criar uma maneira de proteger essa informação sem usar exércitos vastos de componentes extras para constantemente verificar e corrigir. Uma abordagem promissora envolve codificar dados não em uma única partícula, mas no comportamento coletivo de partículas de luz, ou fótons, aprisionados dentro de um minúsculo circuito elétrico. Esses "qubits de gato" são nomeados em homenagem a um famoso experimento mental envolvendo um gato que está simultaneamente vivo e morto; neste contexto, o qubit existe em dois estados distintos ao mesmo tempo. A genialidade deste design é que ele resiste naturalmente a um tipo de erro, conhecido como inversão de bit (bit-flip), onde o estado acidentalmente muda de um para o outro. No entanto, ele permanece vulnerável a um tipo diferente de erro, a inversão de fase (phase-flip), que embaralha a relação entre os dois estados. O desafio sempre foi tornar a proteção contra o primeiro erro mais forte sem tornar o segundo erro pior, um equilíbrio que tem sido difícil de atingir.

Uma equipe de pesquisadores da Alice & Bob, trabalhando com parceiros de várias instituições francesas, encontrou uma maneira de inclinar este equilíbrio significativamente a seu favor. Eles pegaram o design padrão desses qubits baseados em luz e aplicaram uma deformação específica à forma dos estados de luz que utilizam. Imagine os dois estados de um qubit padrão como duas nuvens distintas e arredondadas de probabilidade flutuando em um espaço matemático. No novo design, os pesquisadores comprimiram essas nuvens, esticando-as em formas alongadas que se parecem com luas crescentes. Essa simples mudança geométrica, alcançada pela adição de um tipo específico de sinal ao seu equipamento existente, permitiu que os dois estados ficassem muito mais afastados de uma forma que os torna incrivelmente difíceis de confundir uns com os outros, mantendo-os tão estáveis quanto antes contra o outro tipo de erro.

Os resultados deste experimento foram impressionantes. Os pesquisadores mediram quanto tempo levava para o qubit acidentalmente inverter seu estado. Em uma versão padrão e não deformada deste qubit, o erro ocorria aproximadamente a cada 138 milissegundos. Em sua nova versão "gato-lua" comprimida, o qubit manteve seu estado por 22 segundos antes que um erro semelhante ocorresse. Isso representa uma melhoria de 160 vezes na estabilidade. Crucialmente, este ganho massivo não veio ao custo de um aumento na vulnerabilidade ao outro tipo de erro; a taxa na qual o qubit embaralhava sua fase permaneceu essencialmente a mesma, durando cerca de 1,3 microssegundos em ambos os casos. Isso significa que os pesquisadores conseguiram tornar o qubit muito mais robusto contra um modo de falha específico sem enfraquecer sua defesa contra o outro.

A equipe também testou o quão bem esses novos qubits se saíam quando solicitados a realizar um trabalho, especificamente ao executar uma porta lógica, que é uma operação básica onde o computador processa informações. Eles descobriram que os qubits comprimidos não apenas mantinham seu estado por mais tempo enquanto estavam ociosos, mas também realizavam essas operações com maior velocidade e precisão. As operações de porta foram mais rápidas, e a probabilidade de erros durante o cálculo caiu significativamente. Os pesquisadores observaram que a nova forma dos estados de luz dificultava o sistema de vazar acidentalmente para fora de sua zona de segurança durante esses movimentos rápidos, reduzindo ainda mais os erros. Este progresso foi tão pronunciado que a chance geral de um erro de inversão de bit durante uma operação de porta foi reduzida por um fator de 220 em comparação com o design padrão.

O que torna esta descoberta particularmente significativa é que ela não exigiu a construção de uma nova máquina ou a alteração do layout físico do circuito. Os pesquisadores utilizaram o mesmo chip supercondutor e os mesmos componentes básicos de experimentos anteriores. Eles simplesmente adicionaram um segundo sinal de controle, uma frequência de bombeio específica, ao setup existente para criar o efeito de compressão. Isso sugere que o caminho para computadores quânticos mais poderosos pode nem sempre exigir a invenção de um hardware inteiramente novo, mas sim encontrar melhores maneiras de moldar a informação já presente no sistema. Ao ajustar cuidadosamente a forma dos estados quânticos, a equipe demonstrou que é possível levar a proteção contra erros muito além do que era anteriormente considerado alcançável com designs padrão.

Os pesquisadores observaram que o processo de compressão introduziu um aumento muito leve na taxa do outro tipo de erro, mas essa perda foi insignificante comparada ao enorme ganho em estabilidade contra inversões de bit. Eles também observaram que a melhoria na estabilidade cresceu rapidamente à medida que aumentavam o número de fótons no sistema, seguindo um padrão muito mais íngreme do que os limites teóricos para designs padrão não comprimidos. Isso sugere que, à medida que esses sistemas forem escalonados, os benefícios desta técnica podem se tornar ainda mais poderosos. O trabalho fornece um método claro e prático para aumentar o desempenho de processadores quânticos, aproximando a meta da computação quântica tolerante a falhas, onde máquinas podem executar algoritmos complexos sem correção constante, da realidade.