Uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst, juntamente com colaboradores da Universidade de Chicago, modificaram com sucesso um circulador de micro-ondas para gerenciar com precisão a não reciprocidade entre um bit quântico e uma cavidade ressonante de micro-ondas, marcando um avanço significativo na computação quântica. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores fizeram um avanço significativo na Computação quântica adaptando um circulador de micro-ondas para controlar com precisão a não reciprocidade entre um qubit e uma cavidade ressonante. Esta inovação não só melhora o controle dentro dos computadores quânticos, mas também simplifica os modelos teóricos para pesquisas futuras.
Cientistas liderados pela Universidade de Massachusetts Amherst adaptaram um dispositivo chamado circulador de micro-ondas para uso em computadores quânticos, permitindo-lhes, pela primeira vez, ajustar com precisão o grau exato de não reciprocidade entre um qubit, a unidade fundamental da computação quântica, e um micro-ondas. -cavidade ressonante. A capacidade de ajustar com precisão o grau de não reciprocidade é uma ferramenta importante no processamento de informações quânticas.
Ao fazê-lo, a equipe, incluindo colaboradores do Universidade de Chicago, derivou uma teoria geral e amplamente aplicável que simplifica e expande entendimentos mais antigos de não reciprocidade para que trabalhos futuros em tópicos semelhantes possam tirar proveito do modelo da equipe, mesmo quando usarem componentes e plataformas diferentes. A pesquisa foi publicada recentemente em Avanços da Ciência.
O dispositivo não recíproco, com seu circulador (centro), porta qubit, cavidade supercondutora e porta de saída. Crédito: UMass Amherst
A computação quântica difere fundamentalmente da computação baseada em bits que todos fazemos todos os dias. Um bit é uma informação normalmente expressa como 0 ou 1. Os bits são a base de todos os softwares, sites e e-mails que compõem nosso mundo eletrônico.
Por outro lado, a computação quântica depende de “bits quânticos” ou “qubits”, que são como bits regulares, exceto pelo fato de serem representados pela “superposição quântica” de dois estados de um objeto quântico. A matéria em um estado quântico se comporta de maneira muito diferente, o que significa que os qubits não são relegados a serem apenas 0s ou 1s – eles podem ser os dois ao mesmo tempo de uma forma que parece mágica, mas que é bem definida pelas leis da ciência quântica. mecânica. Esta propriedade da superposição quântica leva ao aumento da capacidade de potência dos computadores quânticos.
Além disso, uma propriedade chamada “não reciprocidade” pode criar caminhos adicionais para a computação quântica aproveitar o potencial do mundo quântico.
“Imagine uma conversa entre duas pessoas”, diz Sean van Geldern, estudante de pós-graduação em física na UMass Amherst e um dos autores do artigo. “Reciprocidade total é quando cada uma das pessoas naquela conversa compartilha uma quantidade igual de informações. A não reciprocidade ocorre quando uma pessoa compartilha um pouco menos que a outra.”
“Isso é desejável na computação quântica”, diz o autor sênior Chen Wang, professor assistente de física na UMass Amherst, “porque há muitos cenários de computação em que você deseja fornecer bastante acesso aos dados sem dar a ninguém o poder de alterar ou degradar isso. dados.”
Para controlar a não reciprocidade, a autora principal Ying-Ying Wang, estudante de pós-graduação em física na UMass Amherst, e seus coautores realizaram uma série de simulações para determinar o design e as propriedades que seu circulador precisaria ter para que pudessem variar sua não reciprocidade. Eles então construíram seu circulador e realizaram uma série de experimentos não apenas para provar seu conceito, mas para entender exatamente como seu dispositivo permitia a não reciprocidade. Ao fazer isso, eles conseguiram revisar seu modelo, que continha 16 parâmetros detalhando como construir seu dispositivo específico, para um modelo mais simples e geral de apenas seis parâmetros. Este modelo revisto, mais geral, é muito mais útil do que o modelo inicial, mais específico, porque é amplamente aplicável a uma série de esforços de investigação futuros.
O “dispositivo integrado não recíproco” que a equipe construiu parece um “Y”. No centro do “Y” está o circulador, que é como uma rotatória para os sinais de micro-ondas que medeiam as interações quânticas. Uma das pernas é a porta da cavidade, uma cavidade supercondutora ressonante que hospeda um campo eletromagnético. Outra perna do “Y” segura o qubit, impresso em um chip de safira. A etapa final é a porta de saída.
“Se variarmos o campo eletromagnético supercondutor bombardeando-o com fótons”, diz Ying-Ying Wang, “veremos que esse qubit reage de uma forma previsível e controlável, o que significa que podemos ajustar exatamente quanta reciprocidade queremos. E o modelo simplificado que produzimos descreve nosso sistema de tal forma que os parâmetros externos podem ser calculados para ajustar um grau exato de não reciprocidade.”
“Esta é a primeira demonstração de incorporação de não receptividade em um dispositivo de computação quântica”, diz Chen Wang, “e abre a porta para a engenharia de hardware de computação quântica mais sofisticado”.
Referência: “Não reciprocidade dispersiva entre um qubit e uma cavidade” por Ying-Ying Wang, Yu-Xin Wang, Sean van Geldern, Thomas Connolly, Aashish A. Clerk e Chen Wang, 17 de abril de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adj8796
O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pela Fundação Simons, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea., a Fundação Nacional de Ciência dos EUA e o Laboratório de Ciências Físicas Qubit Collaboratory.
