Pesquisadores do Instituto Niels Bohr aumentaram significativamente a forma de detectar rapidamente mudanças sutis de estado quântico dentro de um qubit. Ao combinar hardware disponível comercialmente com novas técnicas de medição adaptativas, a equipe pode agora observar mudanças rápidas no comportamento dos qubits que antes eram impossíveis de ver.
Qubits são as unidades básicas dos computadores quânticos, que os cientistas esperam que um dia superem as máquinas mais poderosas da atualidade. Mas os qubits são extremamente sensíveis. Os materiais usados para fabricá-los geralmente apresentam pequenas falhas que os cientistas ainda não entendem completamente. Estas imperfeições microscópicas podem mudar de posição centenas de vezes por segundo. Quando eles se movem, eles perdem rapidamente um qubit de energia e alteram informações quânticas valiosas com ele.
Até recentemente, os procedimentos de teste padrão levavam até um minuto para medir o desempenho do qubit. Foi muito lento capturar essas flutuações rápidas. Em vez disso, os pesquisadores só podem determinar uma taxa média de decaimento de energia, mascarando o comportamento verdadeiro e muitas vezes instável do qubit.
É como pedir a um poderoso burro de carga que puxe um arado quando os obstáculos continuam surgindo em seu caminho mais rápido do que qualquer um pode reagir. O animal pode ser capaz, mas obstáculos inesperados tornam a tarefa mais difícil.
Controle Qubit em Tempo Real Acionado por FPGA
Uma equipe de pesquisa do Centro de Dispositivos Quânticos do Instituto Niels Bohr e do Programa de Computação Quântica da Fundação Novo Nordisk, liderada pelo pesquisador de pós-doutorado Dr. Fabrizio Berita, desenvolveu um sistema de medição adaptativo em tempo real que rastreia mudanças na taxa de decaimento (relaxamento) de energia do qubit. O projeto envolve a colaboração com cientistas da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, da Universidade de Leiden e da Universidade Chalmers.
O novo método depende de um controlador clássico rápido que atualiza uma estimativa da taxa de relaxamento de um qubit em milissegundos. Ele corresponde ao ritmo natural das flutuações em vez de atrasar segundos ou minutos como o método antigo.
Para conseguir isso, a equipe usou um field programmable gate array (FPGA), um tipo de processador clássico projetado para operação extremamente rápida. Ao executar o experimento diretamente no FPGA, eles podem fazer rapidamente uma “melhor estimativa” de quão rápido o qubit está perdendo energia usando apenas algumas medições. Isso elimina a necessidade de transferências lentas de dados para um computador convencional.
Programar FPGAs para tarefas especializadas pode ser um desafio. No entanto, os pesquisadores conseguiram atualizar o modelo bayesiano interno do controlador após cada medição de qubit. Isso permite que o sistema refine continuamente sua compreensão do estado do qubit em tempo real.
Como resultado, o controlador agora acompanha o ambiente em mudança do qubit. Medições e ajustes são realizados aproximadamente na mesma escala de tempo, tornando o sistema cerca de cem vezes mais rápido do que o demonstrado anteriormente.
O trabalho também revelou algo novo. Anteriormente, os cientistas não sabiam com que rapidez as flutuações ocorrem em qubits supercondutores. Esses experimentos agora forneceram essa visão.
Hardware quântico comercial oferece controle avançado
Os FPGAs têm sido usados há muito tempo em outros campos científicos e de engenharia. Neste caso, os pesquisadores usaram um controlador baseado em FPGA da Quantum Machine, disponível comercialmente, chamado OPX1000. O sistema pode ser programado em uma linguagem como Python, já utilizada por muitos físicos, tornando-o mais acessível a grupos de pesquisa em todo o mundo.
A integração deste controlador com hardware quântico avançado foi possível graças à estreita colaboração entre o Professor Associado Morten Kjergaard e o grupo de pesquisa do Instituto Niels Bohr liderado pela Universidade Chalmers, onde a unidade de processamento quântico foi projetada e construída. “O controlador permite uma integração muito estreita entre lógica, medição e feedforward: esses elementos tornaram nossos experimentos possíveis”, diz Morten Kjergaard.
Por que a calibração em tempo real é importante para computadores quânticos
As tecnologias quânticas prometem novas capacidades poderosas, embora computadores quânticos práticos de grande escala ainda estejam em desenvolvimento. O progresso muitas vezes ocorre de forma incremental, mas ocasionalmente grandes avanços.
Ao descobrir essas dinâmicas anteriormente ocultas, os resultados remodelam a forma como os cientistas pensam sobre testar e calibrar processadores quânticos supercondutores. Com os materiais e métodos de fabricação atuais, avançar para o monitoramento e ajuste em tempo real parece essencial para melhorar a confiabilidade. As conclusões destacam a importância do uso criativo das tecnologias disponíveis, bem como das parcerias entre a investigação académica e a indústria.
“Hoje em dia, nas unidades de processamento quântico em geral, o desempenho geral não é determinado pelos melhores qubits, mas pelos piores: é nisso que precisamos nos concentrar. A surpresa do nosso trabalho é que um qubit ‘bom’ pode se tornar um qubit ‘ruim’ em uma fração de segundo, em vez de minutos ou horas.
“Com nosso algoritmo, o hardware de controle rápido pode especificar quais qubits são ‘bons’ ou ‘ruins’ essencialmente em tempo real. Também podemos coletar estatísticas úteis sobre qubits ‘ruins’ em segundos, em vez de horas ou dias.
Fabrizio diz: “Ainda não conseguimos explicar uma grande fração das flutuações que observamos. Dimensionar os processadores quânticos para um tamanho útil requer a compreensão e o controle da física por trás de tais flutuações nas propriedades dos qubits”.
