Físicos do Google Quantum AI usaram seu computador quântico para estudar um tipo de partícula efetiva que é mais resistente a distúrbios ambientais que podem degradar os cálculos quânticos. Essas partículas efetivas, conhecidas como modos de borda de Majorana, se formam como resultado de uma excitação coletiva de múltiplas partículas individuais, como as ondas do mar se formam a partir dos movimentos coletivos das moléculas de água. Os modos de borda de Majorana são de particular interesse em aplicações de computação quântica porque exibem simetrias especiais que podem proteger os estados quânticos frágeis do ruído no ambiente.
O físico da matéria condensada Philip Anderson escreveu certa vez: “É apenas um pouco exagerado dizer que a física é o estudo da simetria”. De fato, estudar os fenômenos físicos e sua relação com as simetrias subjacentes tem sido o principal objetivo da física há séculos. As simetrias são simplesmente declarações sobre quais transformações um sistema pode sofrer – como uma translação, rotação ou inversão através de um espelho – e permanecer inalterado. Eles podem simplificar problemas e elucidar leis físicas subjacentes. E, como mostrado na nova pesquisa, as simetrias podem até impedir o aparentemente inexorável processo quântico de decoerência.
Ao executar um cálculo em um computador quântico, normalmente queremos que os bits quânticos, ou “qubits”, no computador estejam em um estado quântico único e puro. Mas a decoerência ocorre quando campos elétricos externos ou outros ruídos ambientais perturbam esses estados, misturando-os com outros estados para criar estados indesejáveis. Se um estado tem uma certa simetria, pode ser possível isolá-lo, criando efetivamente uma ilha de estabilidade impossível de misturar com os outros estados que também não têm a simetria especial. Desta forma, como o ruído não pode mais conectar o estado simétrico aos demais, ele poderia preservar a coerência do estado.
Em 2000, o físico Alexei Kitaev criou um modelo simples para gerar estados quânticos protegidos por simetria. O modelo consistia em uma cadeia de partículas interconectadas chamadas férmions. Eles poderiam ser conectados de tal forma que duas partículas efetivas apareceriam nas extremidades da cadeia. Mas essas não eram partículas comuns – elas estavam deslocalizadas no espaço, cada uma aparecendo em ambas as extremidades da cadeia simultaneamente.
Estes eram os modos de borda de Majorana (MEMs). Os dois modos tiveram comportamentos distintos sob a chamada transformação de paridade. Um modo parecia idêntico sob esta transformação, então era uma simetria do estado. O outro pegou um sinal de menos. A diferença de paridade entre esses dois estados significava que eles não podiam ser misturados por muitas fontes externas de ruído (ou seja, aquelas que também tinham simetria de paridade).
Em seu novo artigo publicado na Science e intitulado “Modos de aresta de Majorana resilientes a ruído em uma cadeia de qubits supercondutores”, Xiao Mi, Pedram Roushan, Dima Abanin e seus colegas do Google perceberam esses MEMs com qubits supercondutores pela primeira vez. Eles usaram uma transformação matemática chamada transformação de Jordan-Wigner para mapear o modelo de Kitaev considerado para um que eles poderiam realizar em seu computador quântico: o modelo 1D chutado-Ising. Esse modelo conecta cada qubit em uma cadeia 1D a cada um de seus dois vizinhos mais próximos, de modo que os qubits vizinhos interajam entre si. Então, um “chute” periodicamente perturba a corrente.
Mi e seus colegas procuraram assinaturas dos MEMs comparando o comportamento dos qubits de borda com os do meio da cadeia. Enquanto o estado dos qubits no meio se desfazia rapidamente, os estados dos qubits no limite duravam muito mais tempo. Mi diz que isso foi “indicação preliminar da resiliência dos MEMs em relação à decoerência externa”.
A equipe então conduziu uma série de estudos sistemáticos sobre a resistência ao ruído dos MEMs. Como primeiro passo, eles mediram as energias correspondentes aos vários estados quânticos do sistema e observaram que correspondiam exatamente ao exemplo do modelo de Kitaev. Em particular, eles descobriram que os dois MEMs nas extremidades opostas da cadeia são exponencialmente mais difíceis de misturar à medida que o tamanho do sistema aumenta – uma característica marcante do modelo de Kitaev.
Em seguida, a equipe perturbou o sistema adicionando ruído de baixa frequência às operações de controle nos circuitos quânticos. Eles descobriram que os MEMs eram imunes a tais perturbações, contrastando fortemente com outros modos de borda genéricos sem simetrias. Surpreendentemente, a equipe também descobriu que os MEMs são resistentes até mesmo a alguns ruídos que quebram as simetrias do modelo de Ising. Isso se deve a um mecanismo chamado “pré-termalização”, que decorre do grande custo de energia necessário para transformar os MEMs em outras excitações possíveis no sistema.
Por fim, a equipe mediu as funções de onda completas dos MEMs. Fazer isso exigia medir simultaneamente os estados de vários números de qubits próximos a cada extremidade da cadeia. Aqui eles fizeram outra descoberta surpreendente: não importa quantos qubits uma medição incluísse, seu tempo de decaimento era idêntico. Em outras palavras, as medições envolvendo até 12 qubits decaíram na mesma escala de tempo que as de apenas um qubit. Isso foi contrário à expectativa intuitiva de que observáveis quânticos maiores decaem mais rapidamente na presença de ruído e destacou ainda mais a natureza coletiva e a resiliência ao ruído dos MEMs.
Mi e Roushan acreditam que, no futuro, poderão usar MEMs para habilitar portas quânticas protegidas por simetria. Seu trabalho demonstra que os MEMs são insensíveis tanto a ruídos de baixa frequência quanto a pequenos erros, portanto, esse é um caminho promissor para criar portas mais robustas em um processador quântico.
Os pesquisadores planejam continuar a melhorar o nível de proteção desses MEMs, esperando rivalizar com algumas das principais técnicas usadas para combater a decoerência em computadores quânticos. Abanin diz: “Uma questão fundamental para trabalhos futuros é se essas técnicas podem ser estendidas para atingir os níveis de proteção comparáveis aos códigos ativos de correção de erros”.
Publicado em 04/12/2022 14h08
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