Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

Na busca para construir um computador quântico, os cientistas enfrentam uma escolha fundamental: como armazenar informação. A abordagem mais comum trata os dados como uma sequência de minúsculos interruptores, cada um travado em uma de duas posições, representando um zero ou um um. Este método funciona bem, mas exige muitos interruptores físicos para proteger uma única peça de informação contra erros. Um caminho alternativo observa a natureza contínua das ondas de luz e som, onde a informação é codificada na forma e na fase de uma onda que pode existir em um número infinito de estados. Essa abordagem contínua oferece uma maneira de compactar mais dados em um único sistema, mas é notoriamente difícil de controlar. O desafio reside em moldar essas ondas com extrema precisão sem introduzir o ruído que destrói a informação quântica.

Pesquisadores na Argentina demonstraram agora uma nova maneira de moldar essas ondas quânticas com alta precisão, oferecendo um passo promissor em direção a uma memória quântica mais robusta. Eles focaram em um tipo específico de onda chamada estado comprimido (squeezed state), onde a incerteza da onda é comprimida em uma direção enquanto se expande em outra, muito parecido com o ato de apertar um balão. O objetivo era criar um dispositivo que pudesse comprimir essa onda em uma direção determinada pelo estado de um bit quântico separado, ou qubit. Essa ação condicional é essencial para construir códigos quânticos complexos que possam detectar e corrigir seus próprios erros. No entanto, as leis físicas que regem esses circuitos introduzem ondulações sutis e indesejadas que distorcem a onda, ameaçando arruinar a operação. A equipe desenvolveu uma técnica inteligente para cancelar essas ondulações, permitindo que criassem uma porta de compressão quase perfeita. Suas simulações mostram que este método pode codificar informação quântica com uma fidelidade superior a 99 por cento, um nível de precisão exigido para a computação quântica prática.

O experimento ocorre em um circuito supercondutor, um minúsculo loop eletrônico feito de materiais que conduzem eletricidade sem resistência quando resfriados próximo ao zero absoluto. No coração desta configuração está um ressonador, uma câmara que aprisiona ondas eletromagnéticas, e um qubit, um interruptor microscópico que pode estar em um estado zero ou um. Os dois estão ligados de modo que o estado do qubit altera a frequência natural do ressonador. Para comprimir a onda dentro do ressonador, os pesquisadores aplicam um campo magnético que oscila a uma taxa específica. Ao usar duas frequências de oscilação diferentes simultaneamente, eles podem levar o ressonador a um estado onde a onda é comprimida. Crucialmente, como o qubit altera a frequência do ressonador, a compressão acontece em uma direção se o qubit for zero, e em uma direção perpendicular se o qubit for um. Isso cria uma porta condicional, um bloco fundamental para a lógica quântica.

O problema é que a física do circuito não é perfeitamente limpa. À medida que o campo magnético impulsiona o sistema, ele introduz termos de deriva lenta que fazem a onda oscilar e acumular desvios de fase indesejados. Essas distorções agem como um leve desalinhamento, fazendo com que a onda comprimida aponte para a direção errada ou ganhe uma fase aleatória que embaralha a informação. Em tentativas anteriores de construir portas semelhantes, esses erros eram difíceis de corrigir, limitando a precisão da operação. Os pesquisadores perceberam que a forma específica como impulsionavam o sistema com duas frequências criava uma simetria oculta. Eles descobriram que, se revertessem o fluxo do tempo e trocassem os papéis das duas frequências de impulsão, as distorções indesejadas se cancelariam mutuamente.

Para explorar essa simetria, a equipe desenhou um protocolo de quatro etapas. Primeiro, eles deixam o sistema evoluir por um curto período, permitindo que a compressão comece e que as distorções comecem a se acumular. Em seguida, aplicam um pulso rápido para inverter o qubit de zero para um ou vice-versa, enquanto simultaneamente trocam as fases das duas frequências de impulsão. Esta ação efetivamente reverte a direção do tempo para as distorções. Eles deixam o sistema evoluir por um tempo igual neste estado revertido, permitindo que os erros se anulem. Finalmente, invertem o qubit de volta ao seu estado original. O resultado é um processo onde o efeito de compressão desejado se soma, mas os erros indesejados se cancelam completamente.

A equipe testou este método usando simulações de computador detalhadas que modelaram o comportamento do circuito com alta precisão. Eles simularam a codificação de um estado de qubit arbitrário em um padrão complexo de ondas comprimidas, um processo conhecido como algoritmo de codificação. Sem a técnica de correção, os erros dos termos de deriva faziam com que a fidelidade da informação codificada caísse significativamente, com desvios atingindo até 0,3 por cento. Isso pode parecer pequeno, mas no mundo da computação quântica, tais erros se acumulam rapidamente e destroem a computação. Quando aplicaram a técnica de refocalização, o desvio caiu para quase zero, com erros medindo apenas algumas partes em dez milhões. As simulações mostraram que a porta poderia atingir uma fidelidade média de mais de 99 por cento para qualquer estado de entrada, desde que os componentes físicos fossem de alta qualidade.

Os pesquisadores também consideraram as imperfeições do mundo real que existiriam em um dispositivo físico, como a perda de energia do circuito e o comportamento não linear dos materiais supercondutores. Mesmo incluindo esses fatores, e assumindo valores otimistas, porém realistas, para quanto tempo os estados quânticos podem sobreviver antes de decair, a porta manteve uma fidelidade acima de 99 por cento. A equipe estendeu ainda mais seu trabalho para mostrar que este método poderia ser aplicado a dois ressonadores ao mesmo tempo, criando estados emaranhados que são ainda mais poderosos para o processamento de informação quântica. Neste cenário de dois modos, a porta alcançou fidelidades ainda maiores em um tempo mais curto, graças às fortes correlações entre as duas ondas.

Este trabalho fornece um caminho claro para a construção de portas quânticas de alta fidelidade que podem manipular variáveis contínuas com a precisão necessária para a correção de erros. Ao usar um truque simples de temporização para cancelar o ruído inevitável do mundo físico, os pesquisadores mostraram que é possível criar uma porta que é quase indistinguível da versão teórica ideal. A capacidade de codificar informação nestes estados comprimidos especiais abre as portas para novos tipos de códigos quânticos que podem detectar erros simplesmente verificando a paridade da onda. Embora os resultados apresentados aqui sejam baseados em simulações, eles oferecem um blueprint concreto para experimentalistas seguirem, sugerindo que a próxima geração de computadores quânticos poderá depender destes sistemas baseados em ondas contínuas para armazenar e processar informação com confiabilidade sem precedentes.