Qubits de vida longa sobrevivem como ‘ilhas’ em um ambiente barulhento – Physics World

O período de tempo que os bits quânticos (qubits) mantêm sua natureza quântica é crucial para a computação quântica porque determina o número e a complexidade dos cálculos que eles podem realizar. Durante décadas, a sabedoria convencional tem sido que aumentar o chamado tempo de coerência significava proteger os qubits uns dos outros e de perturbações externas. Agora, no entanto, investigadores do Instituto Paul Scherrer da Suíça, da ETH Zurique e da EPF Lausanne inverteram esta ideia ao mostrar que alguns qubits podem sobreviver durante períodos mais longos num ambiente barulhento.

Assim como os computadores clássicos que armazenam informações em bits com valores 0 ou 1, a computação quântica depende de sistemas que existem em dois estados possíveis. A diferença é que os qubits também podem estar em uma superposição desses dois estados. É esta ambiguidade que lhes permite realizar certos cálculos muito mais rapidamente do que as máquinas clássicas, mas os estados quânticos são frágeis e tendem a decoerir-se – o que significa que voltam a comportar-se como 0s e 1s clássicos, perdendo a sua preciosa informação quântica.

No trabalho mais recente, pesquisadores liderados pelo cientista fotônico Gabriel Aeppli estudaram qubits de estado sólido feitos de íons de térbio dopados em cristais de fluoreto de ítrio e lítio (YLiF₄). Esses íons possuem dois níveis quânticos baixos com uma diferença de energia no domínio de frequência de comunicações 5G, e são esses sistemas de dois estados que os pesquisadores usaram como seus qubits. Eles descobriram que, embora a maioria dos qubits experimente apenas tempos de coerência médios, o punhado de qubits que se formam em pares de íons térbio localizados próximos uns dos outros revela-se “extraordinariamente coerente”.

Picos nítidos e distintos

Os pesquisadores observaram esses qubits incomumente coerentes usando espectroscopia de micro-ondas e sondas spin-eco, que são rotineiramente empregadas para medir tempos de coerência. Eles encontraram picos distintos e muito nítidos em suas medições de eco, correspondendo a tempos de coerência muito mais longos (100 vezes mais longos em alguns casos) para os qubits de íons emparelhados do que para qubits localizados a distâncias médias de seus vizinhos. A equipe explica esses longos tempos de coerência observando que os íons emparelhados não podem trocar energia com íons únicos próximos e, portanto, não são perturbados pelas interações com eles.

“O objetivo desta pesquisa foi provar que é possível gerar superposições quânticas coerentes de níveis de campo cristalino (diferentes organizações de baixa energia dos elétrons nos íons de terras raras), mesmo em concentrações bastante altas dos íons”, explica membro da equipe Markus Müller. “No início, não estava nada claro se seríamos capazes de ver qualquer coerência num ambiente tão barulhento e foi uma descoberta imprevista que a coerência era altamente não uniforme entre as entidades dopadas e que ‘ilhas’ de alta coerência podem sobreviver."

A descoberta poderia informar projetos de arquiteturas de computação quântica, acrescenta ele – especialmente para esquemas em que qubits são implantados aleatoriamente em uma matriz hospedeira. Outras aplicações potenciais incluem o uso de qubits como sensores quânticos para dinâmica magnética em seus ambientes. Isso pode, por exemplo, permitir que os pesquisadores investiguem a velocidade de difusão do spin em sistemas acoplados dipolares aleatórios em estudos de localização de muitos corpos e o papel que as interações dipolares desempenham na sua degradação.

Otimizando a sensibilidade do par qubits

Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem otimizar a sensibilidade de seus pares de qubits e recriar superposições quânticas de estados eletronucleares locais em materiais hospedeiros livres de spin nuclear. A remoção do spin nuclear minimizará fontes indesejadas de ruído magnético, que no YLiF₄ surgem principalmente do spin dos átomos de flúor.

Qubits de carga recebem um aumento mil vezes maior

“Também tentaremos obter superposições coerentes semelhantes de estados iônicos de diferentes momentos angulares”, revela Müller. “Isso ampliará a faixa de frequências de excitação da região de micro-ondas (30 GHz) que empregamos atualmente para a faixa óptica, onde a disponibilidade de lasers fortes permite tempos de excitação mais rápidos (frequências Rabi). Na verdade, já obtivemos resultados preliminares promissores nesta direção.”

A equipe também está explorando maneiras de usar pares de dopantes no contexto do processamento quântico de informações ou da computação com dopantes em silício.

O estudo é detalhado em Física da Natureza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/