Os computadores quânticos só funcionam quando são mantidos extremamente frios. O problema é que os sistemas de refrigeração atuais também criam ruído, o que pode interferir nas frágeis informações quânticas que deveriam proteger. Pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, introduziram agora um novo tipo de “refrigerador” quântico mínimo que transforma esse desafio em uma vantagem. Em vez de combater o ruído, o dispositivo depende parcialmente dele para funcionar. O resultado é um controle altamente preciso sobre o fluxo de calor e energia, o que poderia ajudar a tornar possível a tecnologia quântica em grande escala.
Espera-se que a tecnologia quântica remodele grandes áreas da sociedade. As aplicações potenciais incluem descoberta de medicamentos, inteligência artificial, otimização logística e comunicações seguras. Apesar desta promessa, sérios obstáculos tecnológicos ainda impedem a utilização no mundo real. Um dos desafios mais difíceis é manter e controlar os delicados estados quânticos que fazem estes sistemas funcionar.
Por que os computadores quânticos devem estar próximos do zero absoluto
Computadores quânticos construídos com circuitos supercondutores devem ser resfriados a temperaturas muito próximas do zero absoluto (cerca de -273 °C). A esta temperatura, os materiais tornam-se supercondutores, permitindo que os elétrons se movam sem resistência. Somente sob essas condições extremas é que estados quânticos estáveis podem se formar dentro da unidade fundamental qubit de informação quântica.
Esses estados quânticos são altamente sensíveis. Pequenas mudanças de temperatura, interferência eletromagnética ou ruído de fundo podem apagar rapidamente os dados armazenados. Essa sensibilidade torna os sistemas quânticos difíceis de manipular e ainda mais difíceis de expandir.
À medida que os pesquisadores tentam ampliar os computadores quânticos para resolver problemas práticos, o controle do calor e do ruído torna-se difícil. Sistemas maiores e mais complexos criam mais oportunidades para forças indesejadas se propagarem e perturbarem estados quânticos frágeis.
“Muitos dispositivos quânticos são, em última análise, limitados pela forma como a energia é transportada e dissipada. Compreender esses caminhos e ser capaz de medi-los nos permite projetar dispositivos quânticos onde o fluxo de calor é previsível, controlável e até útil, “disse Simon Sandelin, estudante de doutorado em tecnologia quântica na Chalmers University of Technology e principal autor do estudo.
Usando o ruído como ferramenta de resfriamento
Em um estudo publicado pelo Dr. Comunicação da naturezaA equipe de Chalmers descreve um tipo fundamentalmente diferente de refrigerador quântico. Em vez de tentar eliminar o ruído, o sistema utiliza-o como força motriz do arrefecimento.
“Os físicos especulam há muito tempo sobre um fenómeno chamado refrigeração browniana; a ideia de que flutuações térmicas aleatórias podem ser usadas para criar um efeito de arrefecimento. O nosso trabalho representa a realização mais próxima desta ideia até à data,” disse Simone Gasparinetti, professora associada da Chalmers e autora sénior do estudo.
No centro da geladeira está uma molécula artificial supercondutora desenvolvida no laboratório de nanofabricação de Chalmers. Comporta-se como moléculas naturais, mas em vez de átomos, é feito de minúsculos circuitos elétricos supercondutores.
Moléculas artificiais estão conectadas a vários canais de microondas. Ao adicionar ruído de micro-ondas cuidadosamente controlado na forma de flutuações aleatórias de sinal dentro de uma faixa estreita de frequência, os pesquisadores podem ditar como o calor e a energia se movem através do sistema com notável precisão.
“Os dois canais de micro-ondas atuam como reservatórios quentes e frios, mas a questão é que eles só são efetivamente conectados quando injetamos som controlado através da terceira porta. Esse som injetado permite e impulsiona o transporte de calor entre os reservatórios através de moléculas artificiais. Conseguimos medir fluxos de calor extremamente pequenos, da ordem de 8-1-8. Se um fluxo de calor tão pequeno fosse usado para aquecer uma gota de água, a temperatura do universo seria de um grau. Levaria séculos para ver Celsius subir “, explica Sandelin.
Novos caminhos para tecnologias quânticas escaláveis
Ao ajustar cuidadosamente a temperatura do reservatório e rastrear pequenos fluxos de calor, o refrigerador quântico pode funcionar de várias maneiras. Dependendo das condições, pode funcionar como refrigerador, motor térmico ou amplificar o transporte de calor.
Este nível de controle é particularmente importante em sistemas quânticos maiores, onde o calor é gerado localmente durante operações e medições de qubits. A condução de calor diretamente dentro do circuito quântico pode melhorar a estabilidade e o desempenho de uma forma que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem.
“Vemos isso como um passo importante para controlar o calor diretamente dentro dos circuitos quânticos, em uma escala que os sistemas de resfriamento convencionais não podem alcançar. Ser capaz de remover ou redirecionar o calor nesta pequena escala abre a porta para tecnologias quânticas mais confiáveis e poderosas, “disse Amir Ali, pesquisador de tecnologia quântica em Chalmers e co-capítulo do estudo.
Mais informações
A pesquisa sobre refrigeração quântica impulsionada pelo som em um circuito supercondutor foi publicada na revista científica Nature Communications. Os autores são Simon Sandelin, Mohammad Ali Amir, Byom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno e Simone Gasparinetti do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers University of Technology.
O refrigerador quântico foi desenvolvido no laboratório de nanofabricação MyFab da Chalmers University of Technology.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Conselho Sueco de Pesquisa, pela Fundação Knut e Alice Wallenberg para Tecnologia Quântica (WACQT), pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela União Europeia.
