Os cientistas alcançaram a “tarefa impossível” de controlar a luz enquanto medem qubits de íons presos. Quando um qubit é medido com luz laser, o processo muitas vezes acaba danificando os qubits vizinhos. Hologramas podem ajudar com isso.
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Um dos problemas mais difíceis enfrentados pelos cientistas ao trabalhar com informações quânticas é a proteção dos qubits. Isso ocorre porque cada vez que eles reiniciam, medem ou removem até mesmo um qubit, os qubits vizinhos podem ser danificados, resultando em perda de informações. Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Waterloo oferece uma solução para este problema. Os autores do estudo desenvolveram uma maneira de controlar com precisão a luz laser usada para manipular qubits.
Eles até conduziram um experimento para realizar essa tarefa quase impossível. O experimento consistia em medir e redefinir um qubit de íon preso para um estado conhecido sem causar qualquer dano ou perturbação aos qubits vizinhos a apenas alguns micrômetros de distância. “Esta demonstração pode ter um impacto significativo em pesquisas futuras neste campo, incluindo a melhoria dos processadores quânticos, o aumento da velocidade e as capacidades de tarefas como simulações quânticas em máquinas que já existem hoje e a implementação da correção de erros”, observam os autores do estudo.
Por que muitas vezes não conseguimos salvar qubits?
Os métodos existentes de proteção de qubits têm uma série de limitações. Por exemplo, muitas vezes requerem recursos adicionais, como qubits adicionais ou processos redundantes para correção de erros. Isso pode levar a uma perda de tempo de coerência – o tempo durante o qual os qubits permanecem em seu estado quântico sem perturbações. Tais métodos também podem introduzir novos erros durante o processo de correção, reduzindo a eficiência e a confiabilidade gerais.
Essas limitações tornam muito difícil a manipulação ou mesmo o acesso aos qubits. Os autores do estudo propuseram uma solução interessante para este problema. Eles trabalharam em duas tecnologias distintas: qubits de armadilha de íons e formação de feixe holográfico.
O primeiro é usado para ler, redefinir e manipular qubits usando luz laser. Durante este processo, os qubits são representados por íons que são mantidos em campos eletromagnéticos. Este último é usado para moldar e manipular a luz laser através de elementos ópticos, como hologramas.
Eles decidiram usar as duas tecnologias juntas para controlar a luz do laser, de modo que ela não interfira com outros qubits no sistema quando estiverem trabalhando em um qubit específico.
Como trabalhar com qubits sem danificá-los
Os autores do estudo decidiram mudar o estado quântico do qubit. Eles primeiro calcularam seu estado quântico usando uma medição intermediária, um processo na computação quântica onde o estado de um qubit é medido enquanto outras operações ainda estão em andamento.
Eles então usaram um laser que foi controlado com precisão em uma configuração de qubit de íon aprisionado usando tecnologia de formação de feixe holográfica. Essa abordagem combinada manteve a luz focada no alvo e evitou que ela atingisse outros qubits. No entanto, “durante este processo, o íon alvo espalha fótons em todas as direções. Mesmo com um controle de luz perfeito, existe o risco de que esses fótons dispersos possam perturbar os estados quânticos dos qubits vizinhos, limitando a capacidade de protegê-los”, disse Rajibul Islam, autor sênior do estudo e professor da Universidade de Waterloo.
A abordagem holográfica permitiu aos pesquisadores controlar e limitar os fótons espalhados. Como resultado, o experimento foi bem-sucedido e não causou quaisquer perturbações ou danos aos qubits vizinhos.
"Demonstramos a capacidade de redefinir o estado in situ e medir o estado de íons presos, alcançando> 99,9% de precisão de retenção de um qubit de íon "ativo" ao redefinir um qubit "tecnológico" próximo e> 99,6% de precisão de retenção ao aplicar um feixe de detecção de 11 μs no mesmo qubit vizinho a uma distância de 6 μm", observam os autores do estudo.
Esta é uma conquista incrível, porque até agora era considerado quase impossível medir um único qubit sem agitar tudo ao seu redor. “Quase todos na nossa indústria disseram que era uma má ideia e que nem valia a pena tentar porque é muito frágil”, acrescenta Islam. “No entanto, mostramos que é realmente possível destruir qualquer qubit específico que você deseja, enquanto armazena informações quânticas em outros qubits que você não deseja destruir”, disse Sainath Motlakunta, primeiro autor do estudo e pós-doutorado na a Universidade de Waterloo.
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