Os computadores quânticos só funcionam quando são mantidos a temperaturas extremamente frias. O problema é que os sistemas de resfriamento atuais também criam ruído, que pode interferir nas frágeis informações quânticas que eles deveriam proteger. Pesquisadores da Universidade Chalmers de Tecnologia, na Suécia, apresentaram agora um novo tipo de “refrigerador” quântico minimal que transforma esse desafio em uma vantagem. Em vez de lutar contra o ruído, o dispositivo depende parcialmente dele para operar. O resultado é um controle altamente preciso sobre o fluxo de calor e energia, o que pode ajudar a tornar a tecnologia quântica em larga escala possível.
A tecnologia quântica é amplamente esperada para remodelar grandes áreas da sociedade. As aplicações potenciais incluem descoberta de medicamentos, inteligência artificial, otimização de logística e comunicações seguras. Apesar dessa promessa, barreiras técnicas sérias ainda permanecem no caminho do uso no mundo real. Um dos desafios mais difíceis é manter e controlar os delicados estados quânticos que fazem esses sistemas funcionarem.
Por que os Computadores Quânticos Devem Estar Perto do Zero Absoluto
Os computadores quânticos construídos com circuitos supercondutores devem ser resfriados a temperaturas muito próximas do zero absoluto (cerca de -273 °C). A essas temperaturas, os materiais se tornam supercondutores, permitindo que os elétrons se movam sem resistência. Somente nessas condições extremas podem se formar estados quânticos estáveis dentro dos qubits, as unidades básicas da informação quântica.
Esses estados quânticos são extremamente sensíveis. Pequenas mudanças na temperatura, interferência eletromagnética ou ruído de fundo podem rapidamente apagar as informações armazenadas. Essa sensibilidade torna os sistemas quânticos difíceis de operar e ainda mais complicados de expandir.
À medida que os pesquisadores tentam aumentar a escala dos computadores quânticos para resolver problemas práticos, o calor e o ruído tornam-se mais difíceis de controlar. Sistemas maiores e mais complexos criam mais oportunidades para que energias indesejadas se espalhem e interrompam estados quânticos frágeis.
“Muitos dispositivos quânticos são, em última análise, limitados por como a energia é transportada e dissipada. Compreender esses caminhos e ser capaz de medi-los nos permite projetar dispositivos quânticos em que os fluxos de calor sejam previsíveis, controláveis e até mesmo úteis”, diz Simon Sundelin, doutorando em tecnologia quântica na Universidade Chalmers e autor principal do estudo.
Usando Ruído como Ferramenta de Resfriamento
Em um estudo publicado na Nature Communications, a equipe de Chalmers descreve um tipo fundamentalmente diferente de refrigerador quântico. Em vez de tentar eliminar o ruído, o sistema o utiliza como a força motriz por trás do resfriamento.
“Os fisicos há muito especulam sobre um fenômeno chamado refrigeração browniana; a ideia de que flutuações térmicas aleatórias poderiam ser aproveitadas para produzir um efeito de resfriamento. Nosso trabalho representa a realização mais próxima desse conceito até hoje”, diz Simone Gasparinetti, professora associada na Chalmers e autora sênior do estudo.
No cerne do refrigerador está uma molécula artificial supercondutora criada no laboratório de nano-fabricação da Chalmers. Ela se comporta muito como uma molécula natural, mas em vez de átomos, é composta por pequenos circuitos elétricos supercondutores.
A molécula artificial está conectada a múltiplos canais de micro-ondas. Ao adicionar ruído de micro-ondas cuidadosamente controlado na forma de flutuações de sinal aleatórias dentro de uma faixa de frequência estreita, os pesquisadores podem direcionar como o calor e a energia se movem através do sistema com uma precisão notável.
“Os dois canais de micro-ondas funcionam como reservatórios quentes e frios, mas o ponto chave é que eles estão efetivamente conectados apenas quando injetamos ruído controlado através de uma terceira porta. Esse ruído injetado possibilita e impulsiona o transporte de calor entre os reservatórios através da molécula artificial. Conseguimos medir correntes de calor extremamente pequenas, com potências na ordem de attowatts, ou 10^-18 watts. Se tal fluxo de calor pequeno fosse usado para aquecer uma gota de água, levaria a idade do universo para ver sua temperatura subir um grau Celsius”, explica Sundelin.
Novos Caminhos em Direção à Tecnologia Quântica Escalável
Ao ajustar cuidadosamente as temperaturas dos reservatórios e rastrear fluxos de calor minúsculos, o refrigerador quântico pode operar de várias maneiras. Dependendo das condições, ele pode funcionar como um refrigerador, atuar como um motor térmico ou amplificar o transporte térmico.
Esse nível de controle é especialmente importante em sistemas quânticos maiores, onde o calor é produzido localmente durante a operação e medição dos qubits. Gerenciar esse calor diretamente dentro dos circuitos quânticos poderia melhorar a estabilidade e o desempenho de maneiras que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem.
“Vemos isso como um passo importante para controlar o calor diretamente dentro de circuitos quânticos, em uma escala que os sistemas de resfriamento convencionais não podem alcançar. Ser capaz de remover ou redirecionar calor nessa escala minúscula abre as portas para tecnologias quânticas mais confiáveis e robustas”, diz Aamir Ali, pesquisador em tecnologia quântica na Chalmers e coautor do estudo.
Mais Informações
O estudo “Refrigeração quântica acionada por ruído em um circuito supercondutor” foi publicado na revista científica Nature Communications. Os autores são Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno e Simone Gasparinetti do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Universidade Chalmers de Tecnologia.
O refrigerador quântico foi fabricado no Laboratório de Nano-fabricação, Myfab, da Universidade Chalmers de Tecnologia.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Conselho Sueco de Pesquisa, pela Fundação Knut e Alice Wallenberg através do Centro Wallenberg para Tecnologia Quântica (WACQT), pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela União Europeia.