Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

Na busca por construir uma máquina capaz de resolver problemas que estão além do alcance dos computadores atuais, cientistas estão explorando muitas formas diferentes de armazenar e processar informações. Uma abordagem promissora baseia-se nos minúsculos spins magnéticos de elétrons, que podem agir como agulhas de bússola microscópicas apontando para cima ou para baixo. Na maioria dos designs, os pesquisadores tentam controlar cada elétron individualmente, tratando-o como uma unidade de informação separada. Um método diferente utiliza a tendência natural desses elétrons de trocarem de lugar com seus vizinhos, um processo impulsionado por uma força fundamental chamada interação de troca. Este método oferece um caminho para alta precisão porque a interação é simples e robusta, mas vem com um porém: os elétrons não podem ser controlados um por um. Em vez disso, eles devem ser agrupados em clusters maiores que se comportam como um sistema único e unificado. Isso cria um vasto e complexo cenário de estados possíveis, muito maior do que o disponível quando se controla unidades individuais, mas também torna o sistema mais difícil de navegar e medir.

Uma equipe de pesquisadores da HRL Quantum e da Microsoft deu agora um grande passo à frente no domínio desta abordagem. Eles construíram um dispositivo contendo 4 mostras de spins eletrônicos e demonstraram que podiam manipular todo este grupo com uma precisão notável, tratando toda a coleção como um único e massivo processador quântico. Em vez de tentar isolar pequenos grupos de três spins para atuarem como bits padrão, a equipe operou o arranjo completo em um estado onde o spin magnético total de todo o grupo é zero. Esta configuração específica permite-lhes aceder a um espaço de possibilidades que é maior do que o que 40 bits padrão poderiam conter, mas conseguiram controlá-lo sem os erros usuais que assolam sistemas tão grandes. O trabalho deles mostra que, ao abraçar a complexidade de todo o sistema em vez de lutar contra ela, podem alcançar um nível de precisão que supera outras tecnologias quânticas de ponta.

Os pesquisadores testaram o seu sistema utilizando uma série de experimentos rigorosos concebidos para medir a rapidez com que a máquina preserva a informação enquanto realiza operações complexas. Começaram por executar sequências aleatórias de interações de troca de spin, pedindo essencialmente aos elétrons que embaralhassem as suas conexões de formas imprevisíveis. Para verificar se a máquina estava a funcionar corretamente, mediram a frequência com que o sistema regressava ao seu estado inicial após estes embaralhamentos. Descobriram que, para cada operação de troca realizada, a probabilidade de o sistema cometer um erro era incrivelmente pequena, aproximadamente 3 em 10.000. Esta taxa de erro é significativamente inferior à que tem sido reportada para outros tipos de computadores quânticos, que tipicamente apresentam taxas de erro acima de 1 em 1.000 para as suas operações básicas. Este resultado é particularmente impressionante porque contabiliza todo o ruído e imperfeições de toda a sequência de controlo, não apenas o desempenho teórico de um único componente.

Para compreender como a informação se espalha através deste grupo massivo de elétrons, a equipa realizou um teste mais avançado conhecido como um correlacionador fora do tempo (out-of-time-order correlator). Neste experimento, introduziram uma pequena perturbação numa parte do sistema e depois observaram como essa perturbação se propagou por todo o grupo de 48 spins. Observaram que a informação não ficou parada; em vez disso, espalhou-se e difundiu-se pelo dispositivo num padrão semelhante a uma onda. Ao medir o estado de pares específicos de eletrões no final do processo, puderam ver exatamente como a perturbação inicial tinha afetado o resto do sistema. Os resultados coincidiram com simulações de computador de uma máquina perfeita e sem ruído com uma precisão impressionante, confirmando que os eletrões estavam a interagir exatamente como as leis da física previam, mesmo num arranjo tão grande e complexo.

A equipa também explorou como o sistema se comporta ao simular um tipo específico de material magnético, conhecido como uma cadeia de spin de Heisenberg. Programaram os eletrões para mimetizarem as interações encontradas neste material, ajustando a força das conexões entre vizinhos para observar como o sistema respondia. Observaram padrões claros de ondas a viajar de um lado para o outro através da cadeia, refletindo-se nas extremidades e interferindo umas com as outras. Estes padrões mudavam de formas previsíveis dependendo das configurações que escolhiam, demonstrando que o dispositivo podia reproduzir fielmente a dinâmica de modelos físicos complexos. Embora o sistema ainda não seja suficientemente grande para resolver problemas que são impossíveis para computadores clássicos, a capacidade de simular estas interações magnéticas com tão alta fidelidade sugere que a tecnologia está a amadurecer rapidamente.

Um dos aspetos mais significativos deste trabalho é o método utilizado para medir o sucesso. Em vez de observar o desempenho de portas individuais ou pequenos grupos de spins, os investigadores avaliaram todo o sistema como um todo. Trataram os 4s spins não como uma coleção de bits separados, mas como uma entidade única e interconectada. Esta abordagem permitiu-lhes utilizar toda a gama de estados disponíveis no sistema, incluindo aqueles que são normalmente considerados erros ou "vazamento" (leakage) noutros designs. Ao fazê-lo, foram capazes de extrair uma imagem muito mais precisa das reais capacidades da máquina. Os dados revelaram que os erros no sistema não são apenas falhas aleatórias, mas incluem padrões consistentes e previsíveis que podem ser modelados e compreendidos. Este insight é crucial para melhorias futuras, pois aponta o caminho para melhores hardwares de controlo e técnicas de calibração.

Os investigadores reconhecem que, embora o seu dispositivo tenha um desempenho excecional, ainda não é um computador totalmente tolerante a falhas capaz de executar qualquer algoritmo sem erro. A taxa de erro que mediram, embora baixa, ainda se acumularia ao longo de cálculos muito longos, acabando por sobrecarregar os resultados. No entanto, o facto de terem alcançado erros tão baixos num sistema deste tamanho é um forte indicador de que a abordagem baseada apenas na troca é viável. Sugere que, com novos refinamentos na eletrónica de controlo e na forma como os pulsos são entregues aos spins, as taxas de erro poderiam ser reduzidas ainda mais. O trabalho da equipa fornece um roteiro claro de como escalar estes sistemas, mostrando que os desafios de controlar grandes grupos de eletrões não são insuperáveis.

No contexto mais amplo da computação quântica, este estudo oferece uma alternativa convincente às estratégias dominantes que dependem do controlo de qubits individuais. Demonstra que existe valor em trabalhar com o comportamento coletivo de muitas partículas, mesmo que isso signifique abdicar da capacidade de as endereçar individualmente. A alta fidelidade alcançada neste experimento sugere que a interação de troca é uma ferramenta poderosa para construir máquinas quânticas. À medida que o campo avança, as lições aprendidas com este sistema de 48 spins irão provavelmente influenciar a forma como os futuros dispositivos serão desenhados e testados. A capacidade de aceder e controlar um espaço de Hilbert tão grande com alta precisão abre novas possibilidades para simular materiais complexos e resolver problemas difíceis, aproximando a visão de um computador quântico prático da realidade.