Tal é a sua sensibilidade ao ruído ambiental, os computadores quânticos podem no futuro ser protegidos por espessas camadas de chumbo e até mesmo operados no subsolo. Assim dizem os físicos nos Estados Unidos, que descobriram que a radiação ionizante limita significativamente o tempo de coerência dos qubits supercondutores. Na verdade, eles dizem que minimizar os efeitos da radiação será crucial se os computadores quânticos de uso geral forem feitos usando tecnologia de supercondutores.
Os computadores quânticos podem realizar determinados cálculos muito mais rapidamente do que os computadores clássicos, armazenando e processando informações usando bits quânticos (qubits). Os circuitos supercondutores estão entre os principais tipos de qubit atualmente em desenvolvimento, gerando superposições de 0s e 1s do solo e primeiros estados excitados de um oscilador anarmônico formado a partir da combinação de junções Josephson e um capacitor. Embora precisem ser resfriados a temperaturas muito baixas, esses qubits são de estado sólido e, portanto, prometem ser relativamente fáceis de fabricar e integrar.
Na verdade, no ano passado John Martinis e colegas do Google usaram um processador composto por 53 qubits supercondutores para executar um algoritmo muito específico mais de um bilhão de vezes mais rápido do que eles dizem que seria possível usando um dos supercomputadores convencionais líderes do mundo – embora esta vantagem de um bilhão de vezes desde então foi disputado.
Tempo mínimo de coerência
Os qubits supercondutores podem atualmente reter seus delicados estados quânticos – sua “coerência” – por mais de 100 µs. Embora seja muito melhor do que os nanossegundos de duas décadas atrás, os tempos de coerência precisarão aumentar várias ordens de magnitude antes que os qubits possam ser usados em computadores tolerantes a falhas de uso geral. Esses dispositivos dependeriam da correção de erros e só podem funcionar de forma eficiente se as taxas de erro em qubits e portas individuais já estiverem abaixo de um certo limite – implicando em um tempo mínimo de coerência.
A coerência é impedida por uma ampla gama de fontes de ruído. Na escala de tempo de dezenas ou centenas de microssegundos, defeitos materiais, momentos magnéticos e cargas aprisionadas, entre outros, tendem a causar as maiores dores de cabeça. No entanto, aumentar os tempos de coerência para e além de um milissegundo exigirá a superação do problema da radiação ionizante. Partículas beta, raios gama e raios cósmicos criam pares de elétron-buraco dentro de dispositivos, que levam a cascatas de energia e à ruptura dos pares de Cooper responsáveis pela corrente sem atrito em um supercondutor.
No início deste ano, físicos na Alemanha e na Itália relataram que a radioatividade ambiental pode prejudicar o desempenho de ressonadores supercondutores. O grupo, liderado por Laura Cardani do Instituto Nacional de Física Nuclear de Roma e Ioan Pop do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, mostrou que os raios cósmicos e as impurezas radioativas podem aumentar significativamente a densidade de pares de Cooper quebrados, conhecidos como quasipartículas, nos dispositivos acima terra. Por outro lado, usando uma configuração de rádio-puro dentro do laboratório Gran Sasso da Itália – localizado sob 1400 m de rocha – foi capaz de reduzir a incidência do que é conhecido como explosão de quasipartículas em um fator de 50.
Efeitos ionizantes
Agora, William Oliver e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico deram um passo à frente nesta pesquisa medindo e modelando o efeito da radiação ionizante nos próprios qubits supercondutores. Conforme relatam na Nature, eles o fizeram usando qubits feitos de alumínio montados em um substrato de silício.
A equipe começou expondo dois desses qubits a uma fonte conhecida de radiação ionizante – um disco fino de cobre-64 – e mediu a taxa na qual os qubits ‘descoerem repetidamente ao longo de vários dias (o cobre tendo uma meia-vida de apenas mais de 12 h). A ideia era estabelecer com que rapidez as quasipartículas são geradas nos qubits para um determinado fluxo de radiação.
Os pesquisadores então combinaram essas informações com medições da radiação presente no laboratório do MIT, tanto de raios cósmicos quanto de isótopos radioativos de ocorrência natural – neste último caso, principalmente das paredes de concreto do laboratório. Eles calculam que os efeitos de descoerência desta radiação nos qubits imporiam um limite superior ao seu tempo de coerência de cerca de 3-4 ms.
Tijolos de chumbo para blindagem
Para verificar esse resultado com um experimento independente e estabelecer o quão bem esses qubits podem ser protegidos da radiação ionizante, a equipe cercou sete desses qubits (ou melhor, o criostato usado para mantê-los resfriados) com tijolos de chumbo de 10 cm de espessura. Esse é o tipo de proteção freqüentemente usado em experimentos de neutrino e matéria escura. Colocando a blindagem em um elevador de tesoura e levantando e abaixando periodicamente, eles foram capazes de estabelecer o efeito da radiação externa, confirmando assim o limite de coerência de cerca de 4 ms. Eles também descobriram que a blindagem aumentou o tempo de coerência em cerca de 20%.
Dada a existência de fontes mais fortes de decoerência, Oliver e colegas dizem que essa blindagem apenas aumentou o tempo de coerência geral dos qubits em cerca de 0,2%. Mas eles não têm dúvidas de que tais medidas de redução de ruído serão necessárias para que a computação quântica realmente decole. “Reduzir ou mitigar o impacto da radiação ionizante será fundamental para a realização de computadores quânticos supercondutores tolerantes a falhas”, escreveram eles.
Uma opção, pelo menos no médio prazo, seria operar dispositivos subterrâneos. Oliver diz que esta seria uma “boa direção para verificação e pesquisa”. Mas ele argumenta que, para aplicações práticas, seria melhor projetar qubits que são menos suscetíveis a quasipartículas. “Isso nos permitiria manter computadores quânticos supercondutores acima do solo”, diz ele.
Publicado em 31/08/2020 16h32
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