Os computadores quânticos só podem funcionar em ambientes extremamente frios. O problema é que os sistemas de refrigeração atuais também produzem ruído, o que pode interferir nas frágeis informações quânticas que deveriam proteger. Pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, transformaram agora esse desafio em uma vantagem ao revelar um novo “geladeira” quântica mínima. Em vez de combater o ruído, o dispositivo depende parcialmente dele para funcionar. O resultado é um controle altamente preciso do fluxo de calor e energia, o que ajuda a tornar possíveis tecnologias quânticas 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, sérias barreiras técnicas ainda dificultam 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 se aproximar do zero absoluto
Computadores quânticos construídos com circuitos supercondutores devem ser resfriados a temperaturas muito próximas do zero absoluto (cerca de 273 °C). Nessas temperaturas, o material torna-se supercondutor, permitindo que os elétrons se movam sem resistência. Somente sob essas condições extremas um estado quântico estável pode ser formado dentro de um qubit (a unidade básica de informação quântica).
Esses estados quânticos são extremamente sensíveis. Pequenas mudanças de temperatura, interferência eletromagnética ou ruído de fundo podem apagar rapidamente as informações armazenadas. Essa sensibilidade torna os sistemas quânticos difíceis de operar e ainda mais difíceis de escalar.
À medida que os pesquisadores tentam ampliar os computadores quânticos para resolver problemas do mundo real, o calor e o ruído tornam-se mais difíceis de controlar. Sistemas maiores e mais complexos criam mais oportunidades para a energia indesejada se propagar e perturbar 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 Sundelin, estudante de doutorado em tecnologia quântica na Chalmers University of Technology e autor principal do estudo.
Usando o ruído como ferramenta de resfriamento
Num estudo publicado em comunicações da naturezaA equipe de Chalmers descreve um tipo totalmente diferente de refrigerador quântico. O sistema não tenta cancelar o ruído, mas, em vez disso, utiliza-o como força motriz para o resfriamento.
“Os físicos especulam há muito tempo sobre um fenómeno chamado arrefecimento browniano; a ideia de que flutuações térmicas aleatórias podem ser exploradas para produzir um efeito de arrefecimento. O nosso trabalho representa a realização mais próxima deste conceito até à data,” disse Simone Gasparinetti, professora associada da Chalmers University of Technology e autora sénior do estudo.
No coração da geladeira estão moléculas artificiais supercondutoras criadas no Laboratório de Nanofabricação Chalmers. Comporta-se como uma molécula natural, mas em vez de átomos, é feita de minúsculos circuitos 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 em uma faixa estreita de frequência, os pesquisadores podem direcionar como o calor e a energia se movem através do sistema com altíssima precisão.
“Os dois canais de micro-ondas atuam como um banco quente e frio, mas o ponto principal é que eles só podem ser efetivamente conectados se injetarmos ruído controlado através da terceira porta. Esse ruído injetado é possibilitado por moléculas artificiais e impulsiona a transferência de calor entre os bancos. Somos capazes de medir fluxos de calor extremamente pequenos, com potências tão baixas quanto watts, ou 10-18 watts. Se um fluxo de calor tão pequeno fosse usado para aquecer uma gota de água, levaria a idade do universo para ver sua temperatura aumentar em um grau Celsius, “explica Sandlin.
Novas abordagens para tecnologias quânticas escaláveis
Ao ajustar cuidadosamente as temperaturas do reservatório e rastrear pequenos fluxos de calor, os refrigeradores quânticos podem operar de várias maneiras. Dependendo das condições, pode atuar como refrigerador, motor térmico ou amplificar a transferência de calor.
Este nível de controle é especialmente importante em sistemas quânticos maiores porque o calor é gerado localmente durante a manipulação e medição de qubits. O gerenciamento direto do calor dentro dos circuitos quânticos pode melhorar a estabilidade e o desempenho de uma forma que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem.
Aamir Ali, pesquisador em tecnologias quânticas da Chalmers University of Technology e coautor do estudo, disse: “Acreditamos que este é um passo importante para controlar diretamente o calor dentro dos circuitos quânticos em uma escala inacessível pelos sistemas de resfriamento convencionais. Ser capaz de remover ou redirecionar o calor em uma escala tão pequena abre a porta para tecnologias quânticas mais confiáveis e poderosas.”
Mais informações
A pesquisa sobre refrigeração quântica baseada em ruído em circuitos supercondutores foi publicada na revista científica Nature Communications. Os autores são Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno e Simone Gasparinetti do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers University of Technology.
O refrigerador quântico foi fabricado 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 através do Centro Wallenberg de Tecnologia Quântica (WACQT), pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela União Europeia.
