Pesquisadores do Instituto Niels Bohr aumentaram significativamente a velocidade de detecção de mudanças em estados quânticos frágeis em 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 fundamentais 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 criá-los geralmente contêm pequenos defeitos que os cientistas ainda não entendem completamente. Estas imperfeições microscópicas podem mudar de posição centenas de vezes por segundo. À medida que se movem, eles alteram a taxa com que o qubit perde energia e, com isso, informações quânticas valiosas.
Até recentemente, os métodos de teste padrão exigiam até um minuto para medir o desempenho de um qubit. Foi muito lento para captar essas flutuações rápidas. Em vez disso, os pesquisadores só conseguiram determinar a taxa média 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 surgindo em seu caminho mais rápido do que qualquer um pode reagir. O animal pode ser capaz, mas falhas imprevisíveis tornam o trabalho muito mais difícil.
Controle qubit baseado em FPGA em tempo real
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 estudante de doutorado Dr. Fabrizio Berita, desenvolveu um sistema de medição adaptativo em tempo real que rastreia mudanças na taxa de perda de energia (relaxamento) do qubit à medida que ocorrem. O projeto envolveu a colaboração com cientistas da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, da Universidade de Leiden e da Universidade Chalmers.
A nova abordagem depende de um controlador clássico rápido que atualiza sua estimativa da taxa de relaxamento do qubit em milissegundos. Isso corresponde à velocidade natural das próprias oscilações, em vez de atrasar segundos ou minutos como os métodos antigos.
Para conseguir isso, a equipe usou um Field Programmable Gate Array (FPGA), um tipo de processador clássico projetado para operações extremamente rápidas. Ao executar o experimento diretamente no FPGA, eles foram capazes de fazer rapidamente uma “melhor estimativa” sobre a rapidez com que um qubit está perdendo energia usando apenas algumas medições. Isso eliminou a necessidade de transferências de dados mais lentas para um computador normal.
Programar um FPGA para tais tarefas especializadas pode ser um desafio. Apesar disso, os pesquisadores conseguiram atualizar o modelo bayesiano interno do controlador após cada medição do qubit. Isto permitiu ao sistema melhorar constantemente a sua compreensão do estado do qubit em tempo real.
Como resultado, o controlador agora acompanha as mudanças no ambiente do qubit. As medições e ajustes ocorrem quase ao mesmo tempo que as próprias oscilações, tornando o sistema cerca de cem vezes mais rápido do que o demonstrado anteriormente.
Algo novo foi descoberto no trabalho. Anteriormente, os cientistas não sabiam com que rapidez as flutuações ocorriam em qubits supercondutores. Esses experimentos agora forneceram essa compreensão.
Equipamento comercial Quantum vem com controles avançados
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 Machines, disponível comercialmente, chamado OPX1000. O sistema pode ser programado em linguagem semelhante ao 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 a uma estreita colaboração entre o grupo de pesquisa do Instituto Niels Bohr liderado pelo Professor Associado Morten Kjargaard e a Universidade Chalmers, onde a unidade de processamento quântico foi projetada e fabricada. “O controlador fornece uma integração muito estreita entre lógica, medição e propagação: estes componentes tornaram a nossa experiência possível”, diz Morten Kjergaard.
Por que a calibração em tempo real é importante para computadores quânticos
A tecnologia quântica promete novas possibilidades poderosas, embora computadores quânticos práticos de grande escala ainda estejam em desenvolvimento. O progresso é muitas vezes gradual, mas de vez em quando há grandes avanços.
Ao revelar essas dinâmicas anteriormente ocultas, os resultados mudam a forma como os cientistas pensam sobre testar e calibrar processadores quânticos supercondutores. Com os materiais e métodos de fabricação atuais, a transição para monitoramento e regulação em tempo real é essencial para melhorar a confiabilidade. Os resultados também destacam a importância das parcerias entre a investigação académica e a indústria, bem como a utilização criativa das tecnologias disponíveis.
“Atualmente, nas unidades de processamento quântico em geral, o desempenho geral não é determinado pelos melhores qubits, mas pelos piores: são nesses que precisamos nos concentrar. A surpresa do nosso trabalho é que um qubit “bom” pode se transformar em um qubit “ruim” em frações de segundo, não em minutos ou horas.
“Com nosso algoritmo, o hardware de controle rápido pode determinar exatamente qual qubit é ‘bom’ ou ‘ruim’, essencialmente em tempo real. Também podemos coletar estatísticas úteis sobre qubits “ruins” em segundos, em vez de horas ou dias.
“Ainda não conseguimos explicar uma parte significativa das flutuações que observamos. Compreender e controlar a física por trás de tais flutuações nas propriedades dos qubits será necessário para dimensionar os processadores quânticos para um tamanho útil”, diz Fabrizio.
