Enquanto computadores convencionais armazenam informações na forma de bits, peças fundamentais de lógica que assumem um valor de 0 ou 1, computadores quânticos são baseados em qubits. Estes podem ter um estado que é simultaneamente 0 e 1. Essa propriedade peculiar, uma característica da física quântica conhecida como superposição, está no cerne da promessa da computação quântica de, em última instância, resolver problemas que são intratáveis para computadores clássicos.
Muitos computadores quânticos existentes são baseados em sistemas eletrônicos supercondutores, onde os elétrons fluem sem resistência em temperaturas extremamente baixas. Nesses sistemas, a natureza quântica dos elétrons que fluem através de ressoadores cuidadosamente projetados cria qubits supercondutores. Esses qubits são excelentes em realizar rapidamente as operações lógicas necessárias para a computação. No entanto, armazenar informações – neste caso, estados quânticos, descritores matemáticos de sistemas quânticos particulares – não é seu ponto forte. Engenheiros quânticos têm buscado maneiras de aumentar os tempos de armazenamento de estados quânticos, construindo o que são chamados de “memórias quânticas” para qubits supercondutores.
Agora, uma equipe de cientistas do Caltech utilizou uma abordagem híbrida para memórias quânticas, efetivamente traduzindo informações elétricas em som, de modo que os estados quânticos de qubits supercondutores possam ser armazenados por um período até 30 vezes maior do que em outras técnicas.
O novo trabalho, liderado pelos graduandos do Caltech Alkim Bozkurt e Omid Golami, supervisionado por Mohammad Mirhosseini, professor assistente de engenharia elétrica e física aplicada, foi publicado em um artigo na revista Nature Physics.
“Uma vez que você tenha um estado quântico, pode não querer fazer nada com ele imediatamente”, diz Mirhosseini. “Você precisa ter uma maneira de voltar a ele quando quiser realizar uma operação lógica. Para isso, você precisa de uma memória quântica.”
Anteriormente, o grupo de Mirhosseini mostrou que o som, especificamente os fônons, que são partículas individuais de vibração (da mesma forma que os fótons são partículas individuais de luz) poderiam fornecer um método conveniente para armazenar informação quântica. Os dispositivos que testaram em experimentos clássicos pareceram ideais para combinar com qubits supercondutores porque operavam nas mesmas frequências extremamente altas em gigahertz (os humanos escutam em frequências de hertz e quilohertz que são pelo menos um milhão de vezes mais lentas). Eles também apresentaram um bom desempenho nas baixas temperaturas necessárias para preservar estados quânticos com qubits supercondutores e tiveram longas vidas úteis.
Agora, Mirhosseini e seus colegas fabricaram um qubit superconductor em um chip e o conectaram a um pequeno dispositivo que os cientistas chamam de oscilador mecânico. Essencialmente, um garfo de afinação em miniatura, o oscilador consiste em placas flexíveis que são vibradas por ondas sonoras em frequências de gigahertz. Quando uma carga elétrica é colocada nessas placas, elas podem interagir com sinais elétricos que transportam informação quântica. Isso permite que a informação seja canalizada para dentro do dispositivo para armazenamento como uma “memória” e seja canalizada para fora, ou “lembrada”, posteriormente.
Os pesquisadores mediram cuidadosamente quanto tempo levou para o oscilador perder seu conteúdo quântico valioso uma vez que a informação entrou no dispositivo. “Acontece que esses osciladores têm uma vida útil cerca de 30 vezes maior do que os melhores qubits supercondutores disponíveis”, diz Mirhosseini.
Esse método de construção de uma memória quântica oferece várias vantagens em relação às estratégias anteriores. Ondas acústicas viajam muito mais lentamente do que ondas eletromagnéticas, permitindo dispositivos muito mais compactos. Além disso, vibrações mecânicas, ao contrário de ondas eletromagnéticas, não se propagam no espaço livre, o que significa que a energia não vaza do sistema. Isso permite tempos de armazenamento prolongados e mitiga a troca indesejada de energia entre dispositivos próximos. Essas vantagens indicam a possibilidade de que muitos desses garfos de afinação possam ser incluídos em um único chip, fornecendo uma maneira potencialmente escalável de fabricar memórias quânticas.
Mirhosseini afirma que este trabalho demonstrou a mínima interação necessária entre ondas eletromagnéticas e acústicas para investigar o valor deste sistema híbrido como um elemento de memória. “Para que esta plataforma seja realmente útil para a computação quântica, você precisa ser capaz de inserir dados quânticos no sistema e retirá-los muito mais rapidamente. E isso significa que precisamos encontrar maneiras de aumentar a taxa de interação em um fator de três a 10 além do que nosso sistema atual é capaz”, diz Mirhosseini. Felizmente, seu grupo tem ideias sobre como isso pode ser feito.
Os autores adicionais do artigo, “Uma memória quântica mecânica para fótons micro-ondas” são Yue Yu, um ex-estudante de graduação visitante no laboratório de Mirhosseini; e Hao Tian, um associado pós-doutoral do Instituto de Informação Quântica e Matéria em engenharia elétrica no Caltech. O trabalho foi apoiado por financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e da Fundação Nacional de Ciências. Bozkurt foi apoiado por uma Bolsa de Graduação Eddleman.
