O que os blocos de construção para crianças e a computação quântica têm em comum? A resposta é modularidade. É difícil para os cientistas construir computadores quânticos de forma monolítica – ou seja, como uma única unidade grande. A computação quântica depende da manipulação de milhões de unidades de informação chamadas qubits, mas esses qubits são difíceis de montar. A solução? Encontrar maneiras modulares de construir computadores quânticos. Assim como os blocos de plástico que se encaixam para criar estruturas maiores e mais intrincadas, os cientistas podem construir módulos menores e de alta qualidade, conectando-os para formar um sistema abrangente.
Reconhecendo o potencial desses sistemas modulares, pesquisadores da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign apresentaram uma abordagem aprimorada para a computação quântica escalável, demonstrando uma arquitetura modular viável e de alto desempenho para processadores quânticos supercondutores. Seu trabalho, publicado na Nature Electronics, expande os designs modulares anteriores e abre caminho para sistemas de computação quântica escaláveis, tolerantes a falhas e reconfiguráveis.
Sistemas quânticos supercondutores monolíticos são limitados em tamanho e fidelidade, o que prevê a taxa de sucesso dos cientistas na realização de operações lógicas. Uma fidelidade de um significa sem erros; assim, os pesquisadores buscam alcançar uma fidelidade o mais próxima possível de um. Comparado a esses sistemas monolíticos limitados, a modularidade permite a escalabilidade do sistema, atualizações de hardware e tolerância à variabilidade, tornando-a uma opção mais atraente para a construção de redes de sistemas.
“Criamos uma maneira amigável à engenharia de alcançar a modularidade com qubits supercondutores”, disse Wolfgang Pfaff, professor assistente de física e autor sênior do artigo. “Posso construir um sistema que posso unir, permitindo-me manipular dois qubits em conjunto para criar emaranhamento ou operações de portão entre eles? Podemos fazer isso com uma qualidade muito alta? E também podemos desmontá-lo e montá-lo novamente? Normalmente, só descobrimos que algo deu errado depois de montá-lo. Portanto, realmente gostaríamos de ter a capacidade de reconfigurar o sistema posteriormente.”
Ao construir um sistema onde dois dispositivos estão conectados com cabos coaxiais supercondutores para unir qubits entre os módulos, a equipe de Pfaff demonstrou uma fidelidade de porta SWAP de ~99%, representando menos de 1% de perda. Sua capacidade de conectar e reconfigurar dispositivos separados com um cabo enquanto mantém alta qualidade fornece novas perspectivas para o campo na elaboração de protocolos de comunicação.
“Encontrar uma abordagem que funcione levou um tempo para o nosso campo”, disse Pfaff. “Muitos grupos perceberam que o que realmente queremos é essa capacidade de conectar coisas maiores através de cabos e, ao mesmo tempo, alcançar números que sejam bons o suficiente para justificar a escalabilidade. O problema era apenas encontrar a combinação certa de ferramentas.”
Olhando para o futuro, os engenheiros da Grainger se concentrarão na escalabilidade, tentando conectar mais de dois dispositivos juntos enquanto mantêm a capacidade de verificar erros.
“Temos um bom desempenho”, disse Pfaff. “Agora precisamos colocar à prova e dizer: isso realmente está avançando? Faz sentido realmente?”
