Computadores quânticos de átomos neutros estão tendo um momento – Physics World

Na corrida pela plataforma de computação quântica do futuro, os átomos neutros têm sido um pouco prejudicados. Embora os bits quânticos (qubits) baseados em átomos neutros tenham várias características atraentes, incluindo a facilidade de aumentar os números de qubits e realizar operações neles em paralelo, a maior parte da atenção se concentrou nas plataformas rivais. Muitas das maiores máquinas são construídas com qubits supercondutores, incluindo aquelas desenvolvidas em IBM, Google, Amazon e Microsoft. Outras empresas optaram por íons, como Honeywell e IonQ, ou fótons, como Xanadu.

Nas últimas semanas, porém, vários desenvolvimentos atraentes empurraram os átomos neutros para a frente do grupo. Um deles veio de uma start-up chamada Atom Computing, que anunciado no final de outubro que em breve terá um Máquina de átomo neutro de 1000 qubits pronto para os clientes – o primeiro dispositivo quântico comercial a ultrapassar esse marco. Os outros vieram de três equipes de pesquisadores que publicaram estudos separados em Natureza descrevendo plataformas de átomos neutros com baixo ruído, novas capacidades de mitigação de erros e forte potencial para expansão para números ainda maiores de qubits.

Para qualquer plataforma qubit, as maiores barreiras para operações quânticas robustas são o ruído e os erros que ele causa. “A correção de erros é realmente a fronteira da computação quântica”, diz Jeff Thompson, um físico da Universidade de Princeton, EUA, que liderou um dos três estudos Juntamente com Shruti Puri da Universidade de Yale, EUA. “É aquilo que está entre nós e realmente faz cálculos úteis.”

A razão pela qual a correção de erros é tão importante é que ela torna os cálculos possíveis mesmo se o hardware subjacente estiver sujeito a ruídos. Os computadores clássicos usam uma estratégia simples de correção de erros chamada código de repetição: armazenam as mesmas informações várias vezes para que, se houver um erro em um bit, a “votação da maioria” dos bits restantes ainda aponte para o valor correto. Os algoritmos quânticos de correção de erros são essencialmente versões mais complexas disso, mas antes que uma plataforma possa se beneficiar deles, seu hardware deve atender a alguns requisitos mínimos de fidelidade. Para algoritmos quânticos tradicionais, a regra geral é que a taxa de erro para a unidade mínima de computação quântica – uma porta quântica – deve ser inferior a 1%.

Reduzindo o barulho

Pesquisadores liderados por Mikhail Lukin da Universidade de Harvard, EUA, são agora relatando que seu computador quântico de átomo neutro atingiu esse limite, atingindo uma taxa de erro de 0.5%. Eles alcançaram esse marco implementando portas de dois qubits de uma forma pioneira em equipes em Alemanha e França, e sua máquina, que desenvolveram com colegas do vizinho Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), funciona da seguinte maneira.

Primeiro, um vapor de átomos de rubídio é resfriado até um pouco acima do zero absoluto. Em seguida, átomos individuais são capturados e mantidos por feixes de laser bem focados em uma técnica conhecida como pinça óptica. Cada átomo representa um único qubit e centenas estão organizados em uma matriz bidimensional. A informação quântica nestes qubits – um zero ou um ou uma superposição quântica dos dois – é armazenada em dois níveis de energia diferentes dos átomos de rubídio.

Para realizar uma porta de dois qubits, dois átomos são aproximados um do outro e simultaneamente iluminados por um laser. A iluminação promove um dos elétrons do átomo a um alto nível de energia conhecido como estado de Rydberg. Uma vez neste estado, os átomos interagem facilmente com seus vizinhos próximos, tornando possível a operação do portão.

Para melhorar a fidelidade da operação, a equipe usou uma sequência de pulso otimizada recentemente desenvolvida para excitar os dois átomos até o estado de Rydberg e trazê-los de volta para baixo. Esta sequência de pulsos é mais rápida que as versões anteriores, dando aos átomos menos chance de decair para o estado errado, o que interromperia o cálculo. A combinação disso com outras melhorias técnicas permitiu que a equipe alcançasse 99.5% de fidelidade para portas de dois qubits.

Embora outras plataformas tenham alcançado fidelidades comparáveis, os computadores quânticos de átomos neutros podem fazer mais cálculos em paralelo. Em seu experimento, Lukin e sua equipe aplicaram sua porta de dois qubits a 60 qubits de uma só vez, simplesmente iluminando-os com o mesmo pulso de laser. “Isso o torna muito, muito especial”, diz Lukin, “porque podemos ter altas fidelidades e podemos fazer isso em paralelo com apenas um único controle global. Nenhuma outra plataforma pode realmente fazer isso.”

Apagando erros

Enquanto a equipe de Lukin otimizou seu experimento para atingir o limite de fidelidade para a aplicação de esquemas de correção de erros, Thompson e Puri, juntamente com colegas da Universidade de Estrasburgo, na França, encontraram uma maneira de converter certos tipos de erros em rasuras, removendo-os completamente do sistema. . Isso torna esses erros muito mais fáceis de corrigir, diminuindo o limite para que os esquemas de correção de erros funcionem.

A configuração de Thompson e Puri é semelhante à da equipe de Harvard-MIT, com átomos ultrafrios individuais presos em pinças ópticas. A principal diferença é que eles usaram átomos de itérbio em vez de rubídio. O itérbio tem uma estrutura de nível de energia mais complicada do que o rubídio, o que torna mais difícil trabalhar com ele, mas também oferece mais opções para codificar estados quânticos. Nesse caso, os pesquisadores codificaram o “zero” e o “um” de seus qubits em dois estados metaestáveis, em vez dos tradicionais dois níveis de energia mais baixos. Embora estes estados metaestáveis ​​tenham tempos de vida mais curtos, muitos dos possíveis mecanismos de erro levariam os átomos para fora destes estados e para o estado fundamental, onde podem ser detectados.

Ser capaz de excluir erros é uma grande vantagem. Classicamente, se mais da metade dos bits em um código de repetição contiverem erros, a informação errada será transmitida. “Mas com o modelo de apagamento, é muito mais poderoso porque agora sei quais bits apresentaram erros, para poder excluí-los da votação da maioria”, explica Thompson. “Então tudo que preciso é que ainda reste um pouco.”

Graças à sua técnica de conversão de apagamento, Thompson e colegas conseguiram detectar cerca de um terço dos erros em tempo real. Embora a fidelidade do portão de dois qubits de 98% seja menor do que a da máquina da equipe de Harvard-MIT, Thompson observa que eles usaram quase 10 vezes menos potência do laser para acionar seu portão, e aumentar a potência aumentará o desempenho, ao mesmo tempo que permitirá uma fração maior de erros a ser detectada. A técnica de eliminação de erros também reduz o limite de correção de erros para menos de 000%; num cenário em que quase todos os erros são convertidos em rasuras, o que Thompson diz que deveria ser possível, o limite poderia ser tão baixo quanto 99%.

Eliminação de erros de multiplexação

Em um artigo do resultado relacionado, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, EUA (Caltech), também converteram erros em rasuras. Sua máquina de átomo neutro baseada em estrôncio é um tipo mais restrito de computador quântico conhecido como simulador quântico: embora possam excitar átomos até o estado de Rydberg e criar superposições emaranhadas entre os estados fundamental e de Rydberg, seu sistema tem apenas um estado fundamental, o que significa que eles não podem armazenar informações quânticas a longo prazo.

Novo qubit de átomo neutro oferece vantagens para computação quântica

No entanto, criaram estas sobreposições emaranhadas com uma fidelidade sem precedentes: 99.9%. Eles também fizeram uma enorme superposição consistindo não apenas de dois átomos, mas de 26, e melhoraram a fidelidade ao fazê-lo, apagando alguns dos erros. “Basicamente mostramos que é possível trazer essa técnica de forma significativa para o reino dos muitos corpos”, diz Adam Shaw, estudante de doutorado em Grupo de Manuel Endres na Caltech.

Juntos, os três avanços mostram as capacidades dos computadores quânticos de átomos neutros, e os investigadores dizem que as suas ideias podem ser combinadas numa máquina que funciona ainda melhor do que as demonstradas até agora. “O fato de todos esses trabalhos terem surgido juntos é um pequeno sinal de que algo especial está por vir”, conclui Lukin.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/