Os computadores quânticos só funcionam quando são mantidos em um estado muito baixo. O problema é que os sistemas de refrigeração modernos também criam ruído que pode interferir nas delicadas informações quânticas que deveriam proteger. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, introduziram um novo tipo de “refrigerador” quântico mínimo que transforma esse problema em uma vantagem. Em vez de combater o ruído, o dispositivo funciona parcialmente nele. O resultado é um controle altamente preciso sobre o fluxo de calor e energia, o que poderia ajudar a tornar possíveis tecnologias quânticas em grande escala.
Espera-se que a tecnologia quântica mude grandes áreas da sociedade. As aplicações potenciais incluem descoberta de medicamentos, inteligência artificial, otimização logística e comunicações seguras. Apesar dessa promessa, sérias barreiras técnicas ainda impedem o uso real. Uma das tarefas mais difíceis é manter e controlar os estados quânticos frágeis que fazem esses sistemas funcionarem.
Por que os computadores quânticos devem estar próximos 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, os materiais tornam-se supercondutores, permitindo que os elétrons se movam sem resistência. Somente sob essas condições extremas é que estados quânticos estáveis podem se formar dentro dos qubits, as unidades básicas 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 estender.
À medida que os investigadores tentam ampliar os computadores quânticos para resolver problemas práticos, o calor e o ruído tornam-se cada vez mais difíceis de controlar. Sistemas maiores e mais complexos criam mais oportunidades para que energia indesejada se propague e destrua 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 nos quais os fluxos de calor são previsíveis, controláveis e até úteis, “diz Simon Sandelin, estudante de doutorado em tecnologia quântica na Universidade de Tecnologia de Chalmers e principal autor do estudo.
Usando o ruído como ferramenta de resfriamento
Num estudo publicado em Comunicações da naturezaA equipe de Chalmers descreve um tipo fundamentalmente diferente de refrigerador quântico. Em vez de tentar eliminar o ruído, o sistema utiliza-o como força motriz do arrefecimento.
“Os físicos especulam há muito tempo sobre um fenómeno chamado arrefecimento browniano; a ideia de que flutuações térmicas aleatórias podem ser usadas para produzir um efeito de arrefecimento. O nosso trabalho representa a concretização mais próxima deste conceito até à data,” afirma Simone Gasparinetti, professora associada da Chalmers e autora sénior do estudo.
O núcleo da geladeira é uma molécula artificial supercondutora criada no Laboratório de Nanofabricação Chalmers. Comporta-se de forma muito semelhante a uma molécula natural, mas em vez de átomos, é feita de minúsculos circuitos eléctricos supercondutores.
A molécula artificial está conectada a vários canais de microondas. Ao adicionar ruído de micro-ondas cuidadosamente controlado na forma de flutuações aleatórias no sinal em uma faixa estreita de frequência, os pesquisadores podem controlar como o calor e a energia se movem através do sistema com extrema precisão.
“Os dois canais de micro-ondas servem como reservatórios quente e frio, mas o importante é que eles só se conectam efetivamente quando alimentamos um ruído controlado pela terceira porta. Esse ruído fornece e garante a transferência de calor entre os reservatórios através da molécula artificial. Conseguimos medir correntes térmicas muito pequenas, até uma potência da ordem de atawatts, ou 10-18 watts. Sandelin.
Novos caminhos para a tecnologia quântica escalável
Ao regular cuidadosamente a temperatura no tanque e rastrear os pequenos fluxos de calor, o refrigerador quântico pode funcionar de diferentes maneiras. Dependendo das condições, pode desempenhar a função de refrigerador, funcionar como motor térmico ou potencializar a transferência de calor.
Este nível de controle é particularmente importante em grandes sistemas quânticos onde o calor é gerado localmente durante a operação e medição do qubit. Gerenciar esse calor diretamente dentro dos circuitos quânticos pode melhorar a estabilidade e o desempenho de uma forma que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem.
“Vemos isso como um passo importante para controlar o calor diretamente dentro dos circuitos quânticos, em uma escala que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem alcançar. A capacidade de remover ou redirecionar o calor em uma escala tão pequena abre a porta para tecnologias quânticas mais confiáveis e duráveis, “diz Amir Ali, pesquisador de tecnologia quântica em Chalmers e coautor do estudo.
Informações adicionais
O estudo Refrigeração quântica alimentada por ruído em um circuito supercondutor foi publicado na revista científica Nature Communications. Os autores são Simon Sandelin, Mohammed Ali Amir, Viom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno e Simone Gasparinetti do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers University of Technology.
O refrigerador quântico foi produzido 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.
