Os dispositivos quânticos estão se tornando cada vez mais complexos e poderosos. Pesquisadores da Universidade de Innsbruck, em colaboração com a Johannes Kepler University Linz e a University of Technology Sydney, estão apresentando um método para caracterizar até mesmo grandes computadores quânticos usando apenas uma única configuração de medição.

O padrão-ouro para a caracterização de dispositivos quânticos é a chamada tomografia quântica, que, em analogia à tomografia médica, pode traçar uma imagem completa de um sistema quântico a partir de uma série de instantâneos do sistema. Ao oferecer muitos insights, o número de medições necessárias para a tomografia aumenta rapidamente, com três vezes mais medições necessárias para cada qubit adicional.

Devido ao grande tempo necessário para realizar todas essas medições, a tomografia só foi possível em dispositivos com alguns qubits. No entanto, desenvolvimentos recentes em computadores quânticos aumentaram com sucesso os tamanhos dos sistemas muito além das capacidades da tomografia, tornando sua caracterização um gargalo assustador.

Uma equipe de físicos liderada por Martin Ringbauer, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, em colaboração com físicos teóricos de Linz e Sydney, desenvolveu e demonstrou uma abordagem prática para caracterizar até sistemas quânticos de grande escala, contando apenas com uma única configuração de medição, independente do tamanho do sistema. Isso é alcançado afastando-se parcialmente da computação binária inerente aos computadores quânticos e aos seus predecessores clássicos.

De fato, os íons atômicos usados ??para o processamento de informações quânticas apresentam muito mais do que apenas os dois níveis de qubit aos quais são restritos artificialmente. Envolver mais níveis tem o potencial de armazenar significativamente mais informações por partícula. "Estender os qubits para ququarts de quatro níveis nos permite armazenar e medir toda a informação necessária para a tomografia de uma só vez", diz o físico de Innsbruck, Roman Stricker.

Combinando essa forma de medição com uma abordagem de análise de dados chamada "sombras clássicas", originalmente desenvolvida por Richard Küng da Johannes Kepler University Linz e colegas, a equipe demonstrou uma abordagem de caracterização altamente eficiente. Usando as técnicas combinadas, eles foram, pela primeira vez, capazes de caracterizar completamente um sistema de oito qubits em tempo real. Küng enfatiza que sua estrutura tem o potencial de permitir caracterizações em tempo real de grandes dispositivos futuros, o que é um próximo passo significativo para a escalabilidade de computadores quânticos.

O principal desafio tecnológico era transferir com precisão as informações do qubit para os quatro estados do ququart e depois extraí-las em uma única execução do experimento. "Nossas capacidades de leitura até agora só conseguiam distinguir entre dois níveis por detecção, então adaptamos nossa configuração para que possamos detectar três vezes seguidas para identificar todos os quatro níveis", explica Michael Meth, da Universidade de Innsbruck.

"Conseguimos superar esse problema programando uma leitura rápida da câmera e neutralizando o aquecimento dos íons induzido pela detecção, empregando uma etapa extra de resfriamento a laser", explica Thomas Monz. Essas adaptações são cruciais para evitar a perda de informações quânticas durante o processo de detecção estendido.

Martin Ringbauer, que liderou a equipe de Innsbruck, enfatiza que "todos os blocos de construção desenvolvidos neste trabalho são prontamente aplicáveis ??a outras arquiteturas de computadores quânticos que têm acesso a portadores de informações de dimensão superior".

O trabalho de pesquisa foi publicado na revista PRX Quantum .