O segredo para construir computadores quânticos supercondutores com enorme poder de processamento pode ser uma tecnologia de telecomunicações comum – fibra óptica.
Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) mediram e controlaram um bit quântico supercondutor (qubit) usando fibra condutora de luz em vez de fios elétricos de metal, abrindo caminho para empacotar um milhão de qubits em um computador quântico em vez de apenas um alguns milhares. A demonstração é descrita na edição de 25 de março da Nature.
Os circuitos supercondutores são uma tecnologia líder para a fabricação de computadores quânticos porque são confiáveis e são facilmente produzidos em massa. Mas esses circuitos devem operar em temperaturas criogênicas, e os esquemas para conectá-los à eletrônica em temperatura ambiente são complexos e propensos a superaquecer os qubits. Espera-se que um computador quântico universal, capaz de resolver qualquer tipo de problema, precise de cerca de 1 milhão de qubits. Os criostatos convencionais – refrigeradores de diluição superfrios – com fiação de metal podem suportar apenas milhares, no máximo.
A fibra óptica, a espinha dorsal das redes de telecomunicações, tem um núcleo de vidro ou plástico que pode transportar um grande volume de sinais de luz sem conduzir calor. Mas os computadores quânticos supercondutores usam pulsos de microondas para armazenar e processar informações. Portanto, a luz precisa ser convertida precisamente em microondas.
Para resolver este problema, os pesquisadores do NIST combinaram a fibra com alguns outros componentes padrão que convertem, transmitem e medem a luz no nível de partículas individuais, ou fótons, que poderiam então ser facilmente convertidos em microondas. O sistema funcionou tão bem quanto a fiação de metal e manteve os frágeis estados quânticos do qubit.
“Acho que esse avanço terá um grande impacto porque combina duas tecnologias totalmente diferentes, fotônica e qubits supercondutores, para resolver um problema muito importante”, disse o físico do NIST John Teufel. “A fibra óptica também pode transportar muito mais dados em um volume muito menor do que o cabo convencional.”
Normalmente, os pesquisadores geram pulsos de microondas em temperatura ambiente e os distribuem por meio de cabos de metal coaxiais para qubits supercondutores mantidos maintainedcriogenicamente. A nova configuração do NIST usava uma fibra óptica em vez de metal para guiar os sinais de luz para fotodetectores criogênicos que convertiam os sinais de volta para microondas e os entregavam ao qubit. Para fins de comparação experimental, as microondas podem ser encaminhadas para o qubit através do link fotônico ou de uma linha coaxial regular.
O qubit “transmon” usado no experimento da fibra era um dispositivo conhecido como junção Josephson embutida em um reservatório ou cavidade tridimensional. Esta junção consiste em dois metais supercondutores separados por um isolador. Sob certas condições, uma corrente elétrica pode cruzar a junção e oscilar para frente e para trás. Ao aplicar uma certa frequência de microondas, os pesquisadores podem conduzir o qubit entre os estados de baixa energia e excitado (1 ou 0 na computação digital). Esses estados são baseados no número de pares de Cooper – pares ligados de elétrons com propriedades opostas – que “fizeram um túnel” através da junção.
A equipe do NIST conduziu dois tipos de experimentos, usando o link fotônico para gerar pulsos de microondas que mediam ou controlavam o estado quântico do qubit. O método é baseado em duas relações: A frequência na qual as microondas ricocheteiam naturalmente para frente e para trás na cavidade, chamada de frequência de ressonância, depende do estado do qubit. E a frequência com que o qubit muda de estado depende do número de fótons na cavidade.
Os pesquisadores geralmente iniciavam os experimentos com um gerador de microondas. Para controlar o estado quântico do qubit, dispositivos chamados moduladores eletro-ópticos convertiam as microondas em frequências ópticas mais altas. Esses sinais de luz fluíram através da fibra óptica da temperatura ambiente para 4K (menos 269 C ou menos 452 F) até 20 miliKelvin (milésimos de Kelvin), onde pousaram em fotodetectores semicondutores de alta velocidade, que converteram os sinais de luz de volta em microondas que foram então enviados para o circuito quântico.
Nesses experimentos, os pesquisadores enviaram sinais ao qubit em sua frequência de ressonância natural, para colocá-lo no estado quântico desejado. O qubit oscilou entre seus estados fundamental e excitado quando havia potência de laser adequada.
Para medir o estado do qubit, os pesquisadores usaram um laser infravermelho para lançar luz em um nível de potência específico através dos moduladores, fibras e fotodetectores para medir a frequência de ressonância da cavidade.
Os pesquisadores primeiro começaram a oscilação do qubit, com a potência do laser suprimida, e então usaram o link fotônico para enviar um pulso de microondas fraco para a cavidade. A frequência da cavidade indicou com precisão o estado do qubit 98% das vezes, a mesma precisão obtida usando a linha coaxial regular.
Os pesquisadores imaginam um processador quântico no qual a luz em fibras ópticas transmite sinais de e para os qubits, com cada fibra tendo a capacidade de transportar milhares de sinais de e para o qubit.
Publicado em 25/03/2021 10h05
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