Pesquisadores do Instituto Niels Bohr aumentaram significativamente a velocidade com que mudanças sutis de estado quântico podem ser detectadas em qubits. Ao combinar hardware comercial com novas técnicas de medição adaptativas, a equipe pode agora observar mudanças rápidas no comportamento dos qubits que antes não eram vistas.
Qubits são as unidades básicas dos computadores quânticos, que os cientistas esperam que um dia superem o desempenho das máquinas mais poderosas da atualidade. Mas os qubits são extremamente sensíveis. Os materiais usados para construí-los geralmente contêm pequenas falhas que os cientistas ainda não entendem completamente. Esses defeitos microscópicos podem se mover centenas de vezes por segundo. À medida que se movem, eles mudam a rapidez com que os qubits perdem energia e, com eles, informações quânticas valiosas.
Até recentemente, os métodos de teste padrão levavam até um minuto para medir o desempenho do qubit. Essa velocidade é muito lenta para capturar essas flutuações rápidas. Em vez disso, os pesquisadores só podem determinar as taxas médias de perda de energia, mascarando o comportamento verdadeiro e muitas vezes instável do qubit.
É como pedir a um burro de carga forte que puxe um arado enquanto os obstáculos continuam aparecendo em seu caminho mais rápido do que qualquer um pode reagir. Os animais podem ser capazes, mas interferências imprevisíveis tornam o trabalho mais difícil.
Controle qubit em tempo real alimentado por FPGA
Uma equipe de pesquisadores 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 Berritta, desenvolveu um sistema de medição adaptativo em tempo real que pode rastrear mudanças na taxa de perda de energia (relaxamento) em qubits. 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 pode atualizar estimativas da taxa de relaxamento de um qubit em milissegundos. Isso corresponde à velocidade natural das próprias flutuações, em vez de atrasar segundos ou minutos como os métodos mais antigos.
Para conseguir isso, a equipe usou um array de portas programáveis em campo (FPGA), um processador clássico projetado para operação extremamente rápida. Ao executar o experimento diretamente no FPGA, eles podem gerar rapidamente um “melhor palpite” sobre a rapidez com que um qubit está perdendo energia, fazendo apenas algumas medições. Isso elimina a necessidade de transferir dados mais lentos para um computador tradicional.
Programar um FPGA para tais tarefas especializadas pode ser um desafio. Mesmo assim, os pesquisadores atualizaram com sucesso o modelo bayesiano interno do controlador após cada medição de um único qubit. Isso permite que o sistema melhore continuamente sua compreensão da condição do qubit em tempo real.
Como resultado, o controlador agora pode acompanhar as mudanças no ambiente do qubit. As medições e ajustes ocorrem quase na mesma escala de tempo que as próprias flutuações, tornando o sistema cerca de cem vezes mais rápido do que o demonstrado anteriormente.
O trabalho também revelou algo novo. Os cientistas não sabiam anteriormente com que rapidez as flutuações nos qubits supercondutores poderiam ocorrer. Esses experimentos agora fornecem essa visão.
Hardware quântico comercial atende controle avançado
Os FPGAs têm sido usados há muito tempo em outros campos da ciência e da engenharia. Neste caso, os pesquisadores usaram um controlador FPGA comercial da Quantum Machines chamado OPX1000. O sistema pode ser programado em uma linguagem semelhante ao Python, já utilizada por muitos físicos, tornando-o mais acessível a grupos de pesquisa em todo o mundo.
A integração do controlador com hardware quântico avançado foi alcançada através de uma estreita colaboração entre um grupo de pesquisa do Instituto Niels Bohr, liderado pelo Professor Associado Morten Kjaergaard, e da Universidade Chalmers, que projeta e fabrica unidades de processamento quântico. “O controlador permite uma integração muito estreita entre lógica, medição e feedforward: estes elementos tornam as nossas experiências possíveis”, diz Morten Kjærgaard.
Por que a calibração instantânea é importante para computadores quânticos
Embora os computadores quânticos práticos de grande escala ainda estejam em desenvolvimento, a tecnologia quântica promete novas capacidades poderosas. O progresso é muitas vezes gradual, mas ocasionalmente há grandes avanços.
Ao revelar essas dinâmicas anteriormente ocultas, as descobertas remodelam a forma como os cientistas pensam sobre testar e calibrar processadores quânticos supercondutores. Com os materiais e métodos de fabricação atuais, permitir o monitoramento e o ajuste em tempo real é fundamental para melhorar a confiabilidade. As conclusões também destacam a importância da colaboração entre a investigação académica e a indústria e a utilização criativa das tecnologias existentes.
“Hoje, numa unidade de processamento quântico típica, o desempenho global é determinado não pelo melhor qubit, mas pelo pior qubit: estes são aqueles em que precisamos de nos concentrar. O que é surpreendente no nosso trabalho é que um qubit ‘bom’ pode tornar-se um qubit ‘mau’ em menos de um segundo, em vez de minutos ou horas.
“Com nosso algoritmo, o controle rápido do hardware pode essencialmente descobrir qual qubit é ‘bom’ ou ‘ruim’ instantaneamente. Também podemos coletar estatísticas úteis sobre qubits ‘ruins’ em segundos, em vez de horas ou dias.
“Ainda não conseguimos explicar a maioria das flutuações que observamos. Compreender e controlar a física por trás das flutuações nas propriedades dos qubits é fundamental para dimensionar os processadores quânticos para tamanhos úteis”, disse Fabrizio.
