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Jan 26, 2024

Como o gato de Schrödinger produz qubits melhores

8 de junho de 2023 Este artigo

8 de junho de 2023

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pela Escola Politécnica Federal de Lausanne

A computação quântica usa os princípios da mecânica quântica para codificar e elaborar dados, o que significa que um dia poderá resolver problemas computacionais que são intratáveis ​​com os computadores atuais. Enquanto os últimos trabalham com bits, que representam 0 ou 1, os computadores quânticos usam bits quânticos, ou qubits – as unidades fundamentais da informação quântica.

"Com aplicações que vão desde a descoberta de drogas até a otimização e simulações de sistemas e materiais biológicos complexos, a computação quântica tem o potencial de remodelar vastas áreas da ciência, indústria e sociedade", diz o professor Vincenzo Savona, diretor do Centro de Ciência e Engenharia Quântica. na EPFL.

Ao contrário dos bits clássicos, os qubits podem existir em uma "superposição" dos estados 0 e 1 ao mesmo tempo. Isso permite que os computadores quânticos explorem várias soluções simultaneamente, o que pode torná-los significativamente mais rápidos em determinadas tarefas computacionais. No entanto, os sistemas quânticos são delicados e suscetíveis a erros causados ​​por interações com seu ambiente.

“Desenvolver estratégias para proteger ou qubits disso ou para detectar e corrigir erros uma vez ocorridos é crucial para permitir o desenvolvimento de computadores quânticos tolerantes a falhas em grande escala”, diz Savona. Juntamente com os físicos da EPFL Luca Gravina e Fabrizio Minganti, eles fizeram um avanço significativo ao propor um "código de gato de Schrödinger crítico" para resiliência avançada a erros. O estudo apresenta um novo esquema de codificação que pode revolucionar a confiabilidade dos computadores quânticos.

Em 1935, o físico Erwin Schrödinger propôs um experimento mental como uma crítica ao entendimento predominante da mecânica quântica na época - a interpretação de Copenhague. No experimento de Schrödinger, um gato é colocado em uma caixa lacrada com um frasco de veneno e uma fonte radioativa. Se um único átomo da fonte radioativa decair, a radioatividade é detectada por um contador Geiger, que então estilhaça o frasco. O veneno é liberado, matando o gato.

De acordo com a visão de Copenhague da mecânica quântica, se o átomo estiver inicialmente em superposição, o gato herdará o mesmo estado e se encontrará em uma superposição de vivos e mortos. “Esse estado representa exatamente a noção de um bit quântico, realizado na escala macroscópica”, diz Savona.

Nos últimos anos, os cientistas se inspiraram no gato de Schrödinger para construir uma técnica de codificação chamada "código do gato de Schrödinger". Aqui, os estados 0 e 1 do qubit são codificados em duas fases opostas de um campo eletromagnético oscilante em uma cavidade ressonante, semelhante aos estados morto ou vivo do gato.

"Os códigos do gato de Schrödinger foram realizados no passado usando duas abordagens distintas", explica Savona. "Um aproveita os efeitos anarmônicos na cavidade, o outro contando com perdas de cavidade cuidadosamente projetadas. Em nosso trabalho, unimos os dois operando em um regime intermediário, combinando o melhor dos dois mundos. Embora anteriormente se acreditasse ser infrutífero, esse regime híbrido resulta em recursos aprimorados de supressão de erros." A ideia central é operar perto do ponto crítico de uma transição de fase, que é a que se refere a parte 'crítica' do código cat crítico.

O código cat crítico tem uma vantagem adicional: ele exibe resistência excepcional a erros resultantes de mudanças de frequência aleatórias, que geralmente representam desafios significativos para operações que envolvem vários qubits. Isso resolve um grande problema e abre caminho para a realização de dispositivos com vários qubits interagindo mutuamente – o requisito mínimo para a construção de um computador quântico.