Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

No mundo microscópico da computação quântica, a informação é armazenada em estados frágeis que podem ser facilmente destruídos pelo menor toque do ambiente. Para ler essa informação, os cientistas devem conectar esses sistemas quânticos ao mundo exterior, mas essa própria conexão cria um paradoxo perigoso. Quanto mais forte for a ligação usada para medir o sistema, mais rápido o sistema perde sua energia e colapsa, um fenômeno conhecido como decaimento. Durante anos, pesquisadores acreditaram que teriam que escolher entre um sinal claro e forte e um estado quântico de longa duração; era possível ter um, mas não o outro. Esse compromisso tem sido um grande obstáculo na construção de máquinas que possam resolver problemas complexos sem se desestruturarem.

Uma equipe de pesquisadores em Taiwan encontrou agora uma maneira de quebrar essa regra. Eles projetaram um minúsculo circuito eletrônico contendo dois átomos artificiais supercondutores, que atuam como os blocos de construção básicos de um computador quântico. Esses átomos estão conectados a um único dispositivo de medição, mas a equipe os organizou em um padrão específico e simétrico que cria dois tipos distintos de comportamento. Um tipo de comportamento, que eles chamam de estado "brilhante" (bright), interage fortemente com o dispositivo de medição, permitindo que seja lido facilmente, mas fazendo com que perca energia rapidamente. O outro tipo, um estado "escuro" (dark), foi projetado para que mal interaja com o dispositivo de medição, escondendo-se efetivamente da perda de energia que normalmente destrói a informação quântica.

O avanço reside em como eles tornaram esse estado oculto visível. Embora o estado escuro não "converse" diretamente com o dispositivo de medição, os pesquisadores descobriram que ele ainda deixa uma impressão digital no sistema por meio de uma interação sutil com seu parceiro brilhante. Ao medir o estado brilhante, eles puderam detectar indiretamente a presença do estado escuro com quase a mesma clareza como se ele estivesse interagindo diretamente. Em seus experimentos, o estado escuro durou quase o dobro do tempo do estado brilhante, provando que estava protegido contra o decaimento rápido que geralmente limita quanto tempo um bit quântico pode sobreviver. No entanto, apesar dessa proteção, o estado escuro ainda alterou a frequência do dispositivo de medição de uma forma que poderia ser claramente distinguida do estado fundamental.

O experimento foi conduzido em um chip microscópico resfriado a uma temperatura apenas acima do zero absoluto. Os pesquisadores usaram pulsos de micro-ondas para estimular o sistema para o estado brilhante ou para o estado escuro. Quando tentaram medir o estado escuro diretamente através da conexão principal, ele permaneceu silencioso, confirmando que estava, de fato, blindado contra os vazamentos de energia usuais. No entanto, quando observaram como o sistema respondia a uma sonda suave, descobriram que o estado escuro ainda causava um deslocamento mensurável na frequência do ressonador. Esse deslocamento era quase idêntico ao causado pelo estado brilhante, demonstrando que a informação estava lá para ser lida sem a penalidade do decaimento rápido.

Esta descoberta sugere um novo caminho para a computação quântica. Ao usar este "modo escuro", os cientistas podem ser capazes de armazenar informações quânticas por períodos mais longos, mantendo ainda a capacidade de lê-las quando necessário. Os pesquisadores mostraram que o estado escuro poderia ser preparado e medido com alta confiabilidade, oferecendo uma maneira de manter os dados quânticos seguros do ambiente sem torná-los invisíveis ao observador. Essa abordagem pode ser particularmente útil para detectar e corrigir erros em futuros computadores quânticos, onde preservar o estado da informação é tão importante quanto lê-la. O trabalho demonstra que, ao organizar cuidadosamente as conexões entre os componentes quânticos, é possível ter o melhor dos dois mundos: um estado que é simultaneamente duradouro e mensurável.