Pesquisadores da UNSW Sydney criaram uma nova técnica para redefinir computadores quânticos com alto nível de precisão. Esse processo, conhecido como preparação de um bit quântico no estado ‘0’, é crucial para cálculos quânticos precisos. O método é baseado no princípio do “demônio de Maxwell”, uma criatura hipotética que pode separar moléculas quentes e frias observando sua velocidade. Esta solução inovadora é simples, mas eficaz para garantir a confiabilidade dos cálculos quânticos.
“Aqui usamos um ‘demônio’ muito mais moderno – um voltímetro digital rápido – para observar a temperatura de um elétron retirado aleatoriamente de uma piscina quente de elétrons. Ao fazê-lo, tornamos muito mais frio do que o pool de onde veio, e isso corresponde a uma alta certeza de estar no estado computacional ‘0’”, diz o professor Andrea Morello, da UNSW, que liderou a equipe.
“Os computadores quânticos só são úteis se conseguirem chegar ao resultado final com baixíssima probabilidade de erros. E pode-se ter operações quânticas quase perfeitas, mas se o cálculo começar com o código errado, o resultado final também estará errado. Nosso ‘demônio de Maxwell’ digital nos dá uma melhoria de 20 vezes na precisão com que podemos definir o início da computação.”
A pesquisa foi publicada na Physical Review X, uma revista publicada pela American Physical Society.
Observando um elétron para torná-lo mais frio
A equipe do Prof. Morello foi pioneira no uso de spins de elétrons em silício para codificar e manipular informações quânticas e demonstrou alta fidelidade recorde – ou seja, uma probabilidade muito baixa de erros – na execução de operações quânticas. O último obstáculo restante para computações quânticas eficientes com elétrons era a fidelidade de preparar o elétron em um estado conhecido como ponto de partida do cálculo.
“A maneira normal de preparar o estado quântico de um elétron é ir a temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto, e esperar que todos os elétrons relaxem para o estado ‘0’ de baixa energia”, explica o Dr. Mark Johnson, o principal autor experimental no artigo. “Infelizmente, mesmo usando os refrigeradores mais potentes, ainda tínhamos 20% de chance de preparar o elétron no estado ‘1’ por engano. Isso não era aceitável, tínhamos que fazer melhor do que isso.”
O Dr. Johnson, formado pela UNSW em Engenharia Elétrica, decidiu usar um instrumento de medição digital muito rápido para “observar” o estado do elétron e usar um processador de tomada de decisão em tempo real dentro do instrumento para decidir se deve manter esse elétron e usá-lo para cálculos adicionais. O efeito desse processo foi reduzir a probabilidade de erro de 20% para 1%.
Uma nova versão de uma velha ideia
“Quando começamos a escrever nossos resultados e pensamos sobre a melhor forma de explicá-los, percebemos que o que havíamos feito era uma reviravolta moderna na velha ideia do ‘demônio de Maxwell'”, diz o Prof. Morello.
O conceito de ‘demônio de Maxwell’ remonta a 1867, quando James Clerk Maxwell imaginou uma criatura com a capacidade de saber a velocidade de cada molécula individual em um gás. Ele levaria uma caixa cheia de gás, com uma parede divisória no meio, e uma porta que pudesse ser aberta e fechada rapidamente. Com seu conhecimento da velocidade de cada molécula, o demônio pode abrir a porta para que as moléculas lentas (frias) se acumulem de um lado e as rápidas (quentes) do outro.
“O demônio foi um experimento mental, para debater a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica, mas é claro que esse demônio nunca existiu”, diz o Prof. Morello.
“Agora, usando eletrônicos digitais rápidos, de certa forma criamos um. Nós o incumbimos de observar apenas um elétron e garantir que esteja o mais frio possível. Aqui, ‘frio’ se traduz diretamente no estado ‘0’ do computador quântico que queremos construir e operar.”
As implicações desse resultado são muito importantes para a viabilidade dos computadores quânticos. Tal máquina pode ser construída com a capacidade de tolerar alguns erros, mas apenas se forem suficientemente raros. O limite típico para tolerância a erros é de cerca de 1 por cento. Isso se aplica a todos os erros, incluindo preparação, operação e leitura do resultado final.
Esta versão eletrônica de um ‘demônio de Maxwell’ permitiu que a equipe UNSW reduzisse os erros de preparação em vinte vezes, de 20 por cento para 1 por cento.
“Apenas usando um instrumento eletrônico moderno, sem complexidade adicional na camada de hardware quântico, conseguimos preparar nossos bits quânticos de elétrons com precisão suficiente para permitir uma computação subsequente confiável”, diz o Dr. Johnson.
“Este é um resultado importante para o futuro da computação quântica. E é bastante peculiar que também represente a materialização de uma ideia de 150 anos atrás!”
Publicado em 23/01/2023 12h04
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