Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Imagine que você está tentando ouvir uma nota única e perfeita tocada por um violino em uma sala de concertos. Agora, imagine que a sala está cheia de milhares de pequenos fantasmas invisíveis. Esses fantasos não são assustadores; eles são apenas muito agitados. A cada poucos segundos, um deles pode pular na corda do violino, mudando o tom da nota apenas um pouquinho, ou fazendo o som desaparecer mais rápido do que deveria. No mundo da computação quântica, esses "fantasmas" são reais. Eles são chamados de sistemas de dois níveis (TLS), e são pequenos defeitos escondidos nos materiais que compõem os computadores quânticos.

Os computadores quânticos são o próximo grande salto tecnológico, prometendo resolver problemas que são impossíveis para os supercomputadores de hoje. Eles usam "qubits" (bits quânticos) para fazer seus cálculos. Mas os qubits são incrivelmente frágeis. Se um qubit perder sua energia ou ficar confuso pelo ruído, o cálculo falha. Por anos, os cientistas souberam que esses defeitos TLS são a principal razão pela qual os qubits perdem sua energia e cometem erros. O problema é que esses defeitos são sorrateiros. Eles se movem, mudam sua frequência e ligam e desligam. Até agora, as ferramentas usadas para estudá-los eram como tentar tirar uma foto de um beija-flor com uma câmera que tira uma foto a cada hora. Quando a foto finalmente revelava, o pássaro já tinha se movido, mudado de cor e voado para longe. Sabíamos que os fantasmas estavam lá, mas não conseguíamos pegá-los no flagra.

É aqui que uma nova equipe de pesquisadores entra com um truque inteligente. Eles construíram uma "super câmera de alta velocidade" para esses fantasmas quânticos. Em vez de esperar horas para ver o que um defeito está fazendo, eles usam um sistema inteligente e adaptável que atualiza suas suposições milhares de vezes por segundo. Com este novo método, eles descobriram que esses defeitos são muito mais ativos do que pensávamos. Eles descobriram que alguns defeitos mudam seu comportamento em apenas alguns segundos, e outros vagam como um bêbado voltando para casa, movendo-se muito mais rápido do que qualquer pessoa jamais tinha visto antes.

Aqui está a história da descoberta deles, contada na linguagem de um adolescente curioso.

Os Fantasmas na Máquina

Pense em um qubit supercondutor como uma estação de rádio muito sensível. Ele transmite em uma frequência específica, como 5,1 gigahertz. Para fazer seu trabalho, ele precisa permanecer sintonizado exatamente nessa frequência. Mas dentro do rádio, existem pequenos "defeitos" invisíveis (os TLS) à espreita no isolamento e no metal. Às vezes, um defeito decide sintonizar na mesma frequência do rádio. Quando isso acontece, o rádio fica distraído. Ele perde sua energia para o defeito, e o sinal desaparece. Isso é chamado de "relaxação", e é o inimigo da computação quântica.

Por muito tempo, os cientistas pensaram que esses defeitos eram majoritariamente estacionários. Eles acreditavam que, se você observasse um defeito, ele permaneceria no lugar por horas, talvez derivando lentamente como uma nuvem no céu. Se você quisesse mapear onde esses defeitos estavam e como se moviam, teria que passar horas escaneando as frequências de rádio. Era como tentar mapear uma cidade caminhando por ela apenas uma vez por dia; você perderia todos os congestionamentos e as pessoas correndo de um lado para o outro.

O Avanço da "Câmera Inteligente"

Os pesquisadores deste artigo, trabalhando com dispositivos construídos no MIT e na Universidade de Wisconsin, decidiram construir uma maneira melhor de observar os fantasmas. Eles usaram um tipo especial de qubit que pode mudar sua frequência sobre a hora, como um rádio que pode sintonizar instantaneamente qualquer estação. Eles também usaram um chip de computador super-rápido chamado FPGA (Field-Programmable Gate Array) para atuar como o cérebro da operação.

Em vez de apenas encarar um ponto por um longo tempo, o sistema deles é "adaptável". Imagine que você está jogando um jogo de "quente ou frio" para encontrar um objeto escondido. Um jogador normal poderia verificar um lugar, esperar um minuto, e então verificar outro. Este novo sistema é como um jogador genial que, após cada tentativa, calcula instantaneamente onde o objeto tem mais probabilidade de estar a seguir e pula para lá imediatamente.

Eles usaram este método para escanear a faixa de frequência do qubit. Cada vez que verificavam uma frequência, o sistema media o quão rápido o qubit estava perdendo energia. Se a perda de energia desse um pico, significava que havia um defeito ali. Como o sistema era tão rápido, ele podia tirar uma "fotografia" de toda a faixa de frequência em menos de um segundo. Ao repetir isso repetidamente, eles criaram um filme dos defeitos em ação.

A Surpresa: Os Fantasmas são Hiperativos

Quando assistiram ao filme, os resultados foram chocantes. Eles descobriram dois tipos principais de comportamento "fantasmagórico" que estavam acontecendo muito mais rápido do que o esperado.

1. A Troca de Telegrafia (Telegraph Switch):
Alguns defeitos estavam agindo como um interruptor de luz sendo acionado por uma mão nervosa. O defeito ficava em uma frequência, causando a perda de energia do qubit, e de repente — poof! — ele saltava para uma frequência diferente. Os pesquisadores mediram que esses saltos aconteciam com um tempo característico de cerca de 2,2 segundos.

Pense nisso como o feixe de um farol que subitamente muda de direção. No passado, os cientistas pensavam que essas trocas ocorriam ao longo de horas. Descobrir que elas ocorrem em segundos significa que o ambiente do computador quântico é muito mais caótico do que pensávamos. É como perceber que a sala onde você está sentado está, na verdade, cheia de pessoas pulando de uma cadeira para outra constantemente, em vez de apenas sentarem paradas.

2. A Caminhada do Bêbado (Difusão Espectral):
Outros defeitos não apenas saltavam; eles vagavam. Eles derivavam lentamente através do espectro de frequência, como um bêbado tropeçando por uma rua. Os pesquisadores mediram a velocidade dessa deriva e descobriram uma "difusividade" (uma medida de quão rápido eles vagam) de cerca de 0,9 MHz² s⁻¹.

Aqui está o detalhe crucial: essa velocidade de deriva foi cerca de 300 vezes mais rápida do que o observado em experimentos anteriores que levavam horas para serem concluídos. Acontece que as medições lentas, de horas de duração, estavam na verdade "borrando" a imagem. Ao tirar a média de tudo ao longo de um longo período, os cientistas perderam o fato de que os defeitos estavam, na verdade, correndo. É como observar um carro rápido através de uma janela embaçada; se você olhar por muito tempo, o carro parece apenas um borrão. Mas se você tiver uma câmera rápida, você o vê acelerando.

Por Que Isso Importa para o Seu Futuro Computador

Você pode se perguntar: "E daí? É apenas alguns segundos mais rápido". Mas no mundo da computação quântica, o tempo é tudo.

Os pesquisadores também verificaram se esses fantasmas de movimento rápido realmente causavam erros na lógica do computador. Eles realizaram um teste chamado "benchmarking de aleatoriedade" (randomized benchmarking), que é como um teste de estresse para o cérebro do computador. Eles encontraram uma conexão forte: quando um defeito estava ativo e causando perda de energia rápida no qubit, o computador cometia mais erros em seus cálculos. A correlação era forte, com um valor de 0,618, o que significa que os fantasmas definitivamente estavam atrapalhando o trabalho.

Isso muda o jogo para a forma como construímos e consertamos computadores quânticos. Por muito tempo, o plano foi calibrar (ajustar) esses computadores a cada poucas horas. Mas se os defeitos estão saltando a cada poucos segundos, ajustar a cada poucas horas é como tentar consertar o motor de um carro enquanto ele viaja a 100 mph. Você vai perder o problema.

O artigo sugere que precisamos de uma nova forma de pensar. Em vez de verificar o computador uma vez por dia, podemos precisar verificá-lo constantemente, em tempo real. Os pesquisadores mostraram que seu "smart camera" rápido poderia ser usado para detectar esses problemas conforme eles acontecem. Se o sistema vir um defeito causando problemas demais, ele poderia pausar o cálculo ou ajustar a frequência para evitar o fantasma completamente.

A Conclusão

Este artigo não apenas encontrou um novo tipo de defeito; ele descobriu que os defeitos que já conhecíamos são muito mais enérgicos e imprevisíveis do que jamais imaginamos. Eles não são fantasmas estacionários; são dançarinos hiperativos.

Os pesquisadores provaram que, ao usar medições rápidas e adaptáveis, podemos ver essas danças em tempo real. Eles descartaram a ideia de que esses movimentos rápidos são apenas uma anomalia ou um erro do equipamento; eles viram o mesmo comportamento em dois dispositivos diferentes construídos em dois laboratórios diferentes. Eles ainda não resolveram o problema dos defeitos — ainda não sabemos exatamente do que esses defeitos são feitos ou como eliminá-los completamente. Mas eles nos deram o primeiro mapa claro e de alta velocidade de onde eles estão e como se movem.

É um pouco como descobrir que a "estática" de uma TV antiga não é apenas ruído aleatório, mas um monte de criaturas minúsculas e rápidas. Agora que sabemos que elas estão lá e sabemos o quão rápido se movem, podemos finalmente começar a construir melhores escudos para impedir que elas estraguem o nosso programa. Para o futuro da computação quântica, este é um grande passo à frente: não podemos mais ignorar os fantasmas, mas agora, finalmente, temos as ferramentas para capturá-los.