Computadores de íons presos são computadores quânticos nos quais os qubits (unidades quânticas de informação) são íons presos por campos elétricos e manipulados com lasers. Para evitar conversas cruzadas entre qubits próximos, físicos e engenheiros projetam esses computadores usando dois tipos diferentes de qubits.
O uso de dois tipos diferentes de qubits permite, em última análise, a conexão de erros quânticos e a criação de redes quânticas, que facilitam a transmissão de informações em computadores quânticos. Dos dois tipos de qubits utilizados, um armazena e processa informações quânticas e o outro realiza operações auxiliares, como a coleta de medidas de síndrome de erro ou a execução de resfriamento simpático e emaranhamento fotônico.
Até agora, a maioria dos engenheiros desenvolvendo computadores de íons presos empregava duas espécies diferentes de íons como esses dois tipos diferentes de qubit. Pesquisadores do Centro de Informações Quânticas da Universidade de Tsinghua, no entanto, mostraram recentemente que dois tipos diferentes de qubits podem ser criados usando a mesma espécie de íon. Suas descobertas, publicadas na Nature Physics, podem abrir caminhos interessantes para a criação de dispositivos quânticos de íons presos.
“Na computação quântica de armadilha de íons, as operações auxiliares espalham fótons que podem destruir as informações quânticas armazenadas em outros qubits, o que é conhecido como erro de diafonia”, disse Luming Duan, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Anteriormente, os pesquisadores tinham que usar duas espécies de íons para codificar os dois tipos de qubits, que têm diferentes frequências de transição, para suprimir o erro de diafonia. No entanto, controlar várias espécies de íons é cada vez mais difícil à medida que o sistema aumenta e também é impossível para converter coerentemente entre duas espécies de íons.”
Para superar as limitações das abordagens anteriores de computação quântica de íons presos, Duan e seus colegas codificaram os dois tipos diferentes de qubits em diferentes coletores de estado fundamental da mesma espécie de íons, que não tinham diafonia entre eles. O uso desses qubits baseados na mesma espécie de íons pode simplificar bastante a fabricação de dispositivos de íons presos, além de permitir maior controle sobre seus qubits.
“Percebemos os dois tipos de qubits usando dois pares de níveis de energia de longa duração (níveis hiperfinos de S e níveis hiperfinos de F) do íon Yb-171 que são insensíveis ao campo magnético no ambiente)”, disse Duan. “Nós convertemos coerentemente entre esses dois tipos usando feixes de laser de banda estreita através de um par de níveis intermediários (níveis D hiperfinos. Os dois estados básicos do qubit são convertidos simultaneamente usando o mesmo laser para suprimir a decoerência devido ao ruído de fase do laser.”
Duan e seus colegas avaliaram sua nova abordagem proposta para a computação quântica de íons presos em uma demonstração inicial de prova de princípio. Esta demonstração rendeu resultados notáveis, com seus dois tipos de qubits realizando operações importantes, mantendo a diafonia com qubits adjacentes abaixo de 0,06%.
“Demonstramos uma conversão coerente rápida e de alta fidelidade entre os dois tipos de qubit e demonstramos as operações necessárias em um tipo de qubit, incluindo preparação de estado, detecção, portas de qubit único e resfriamento a laser simpático, com um erro de crosstalk no outro qubit digite significativamente abaixo do limite da computação quântica tolerante a falhas”, disse Duan.
O estudo recente desta equipe de pesquisadores apresenta um novo kit de ferramentas básico para implementar efetivamente o esquema qubit de tipo duplo em computadores quânticos de íons presos usando as mesmas espécies de íons. No futuro, este kit de ferramentas poderá permitir a implementação de computadores quânticos de armadilha de íons em larga escala e redes quânticas.
“Agora planejamos melhorar a fidelidade de conversão entre os dois tipos de qubit e, em seguida, aplicar o esquema de qubit de tipo duplo à configuração de computação quântica multi-íon com medições de computação e resfriamento”, acrescentou Duan. “Também planejamos aplicar o esquema qubit de tipo duplo na rede quântica íon-fóton para suprimir o erro de diafonia”.
Publicado em 18/08/2022 12h05
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