A computação quântica promete resolver problemas complexos exponencialmente mais rápido que um computador clássico, usando os princípios da mecânica quântica para codificar e manipular informações em bits quânticos (qubits).

Qubits são os blocos de construção de um computador quântico. Um desafio para o dimensionamento, no entanto, é que os qubits são altamente sensíveis ao ruído de fundo e imperfeições de controle, que introduzem erros nas operações quânticas e, em última análise, limitam a complexidade e a duração de um algoritmo quântico. Para melhorar a situação, pesquisadores do MIT e pesquisadores em todo o mundo têm se concentrado continuamente em melhorar o desempenho do qubit. 

Em um novo trabalho, usando um qubit supercondutor chamado fluxonium, pesquisadores do MIT no Departamento de Física, no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) desenvolveram duas novas técnicas de controle para atingir uma fidelidade recorde mundial de 99,998 por cento em um único qubit. Este resultado complementa  a demonstração do então pesquisador do MIT Leon Ding no ano passado de uma fidelidade de porta de dois qubits de 99,92 por cento . 

Os autores seniores do artigo são David Rower PhD '24, um pós-doutorado recente em física no grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) do MIT e agora um cientista pesquisador no laboratório Google Quantum AI; Leon Ding PhD '23 do EQuS, agora liderando a equipe de Calibração na Atlantic Quantum; e  William D. Oliver , o Professor Henry Ellis Warren do EECS e professor de física, líder do  EQuS , diretor do Center for Quantum Engineering e diretor associado do RLE. O artigo apareceu recentemente no periódico PRX Quantum .

Um grande desafio com a computação quântica é a decoerência, um processo pelo qual os qubits perdem suas informações quânticas. Para plataformas como qubits supercondutores, a decoerência impede a realização de portas quânticas de maior fidelidade.

Os computadores quânticos precisam atingir altas fidelidades de gate para implementar computação sustentada por meio de protocolos como correção de erro quântico. Quanto maior a fidelidade de gate, mais fácil é realizar computação quântica prática.

Pesquisadores do MIT estão desenvolvendo técnicas para tornar portas quânticas, as operações básicas de um computador quântico, o mais rápido possível para reduzir o impacto da decoerência. No entanto, conforme as portas ficam mais rápidas, outro tipo de erro, decorrente da dinâmica de contrarrotação, pode ser introduzido devido à maneira como os qubits são controlados usando ondas eletromagnéticas. 

Portas de qubit único são geralmente implementadas com um pulso ressonante, que induz oscilações Rabi entre os estados do qubit. Quando os pulsos são muito rápidos, no entanto, as “portas Rabi” não são tão consistentes, devido a erros indesejados de efeitos de contrarrotação. Quanto mais rápido o portão, mais o erro de contrarrotação se manifesta. Para qubits de baixa frequência, como o fluxonium, os erros de contrarrotação limitam a fidelidade das portas rápidas.

Embora a ideia de Ding tenha funcionado imediatamente, as fidelidades alcançadas com drives polarizados circularmente não foram tão altas quanto o esperado pelas medições de coerência.

“Finalmente, tropeçamos em uma ideia lindamente simples”, diz Rower. “Se aplicássemos pulsos exatamente nos momentos certos, seríamos capazes de tornar os erros de contrarrotação consistentes de pulso a pulso. Isso tornaria os erros de contrarrotação corrigíveis. Melhor ainda, eles seriam automaticamente contabilizados com nossas calibrações usuais de porta Rabi!”

Eles chamaram essa ideia de “pulsos proporcionais”, já que os pulsos precisavam ser aplicados em momentos proporcionais a intervalos determinados pela frequência do qubit através de seu inverso, o período de tempo. Pulsos proporcionais são definidos simplesmente por restrições de tempo e podem ser aplicados a um único drive de qubit linear. Em contraste, micro-ondas polarizadas circularmente requerem dois drives e alguma calibração extra.

“Eu me diverti muito desenvolvendo a técnica comensurável”, diz Rower. “Foi simples, entendemos por que ela funcionava tão bem, e ela deveria ser portátil para qualquer qubit sofrendo de erros de contrarrotação!”

“Este projeto deixa claro que erros de contrarrotação podem ser facilmente tratados. Isso é algo maravilhoso para qubits de baixa frequência como o fluxônio, que estão parecendo cada vez mais promissores para a computação quântica.”

Fluxonium é um tipo de qubit supercondutor composto de um capacitor e junção Josephson; diferentemente dos qubits transmon, no entanto, o fluxonium também inclui um grande “superindutor”, que por design ajuda a proteger o qubit do ruído ambiental. Isso resulta na execução de operações lógicas, ou portas, com maior precisão.

Apesar de ter maior coerência, no entanto, o fluxônio tem uma frequência de qubit mais baixa, geralmente associada a portas proporcionalmente mais longas.

“Aqui, demonstramos um gate que está entre os mais rápidos e de maior fidelidade entre todos os qubits supercondutores”, diz Ding. “Nossos experimentos realmente mostram que o fluxônio é um qubit que suporta explorações físicas interessantes e também entrega absolutamente em termos de desempenho de engenharia.”

Com mais pesquisas, eles esperam revelar novas limitações e produzir portões ainda mais rápidos e de maior fidelidade.

“A dinâmica contrarrotativa tem sido pouco estudada no contexto da computação quântica supercondutora por causa de quão bem a aproximação de onda rotativa se mantém em cenários comuns”, diz Ding. “Nosso artigo mostra como calibrar precisamente portas rápidas de baixa frequência onde a aproximação de onda rotativa não se mantém.”

“Este é um exemplo maravilhoso do tipo de trabalho que gostamos de fazer no EQuS, porque ele alavanca conceitos fundamentais tanto na física quanto na engenharia elétrica para alcançar um resultado melhor”, diz Oliver. “Ele se baseia em nosso trabalho anterior com controle de qubit não adiabático, aplica-o a um novo qubit — fluxonium — e faz uma bela conexão com a dinâmica contrarrotativa.”

As equipes de ciência e engenharia possibilitaram a alta fidelidade de duas maneiras. Primeiro, a equipe demonstrou controle não adiabático “comensurável” (síncrono), que vai além da “aproximação de onda rotativa” padrão das abordagens Rabi padrão. Isso alavanca ideias que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2023 por pulsos de luz ultrarrápidos de “attosegundo”.

Em segundo lugar, eles demonstraram isso usando um análogo para luz polarizada circularmente. Em vez de um campo eletromagnético físico com um vetor de polarização rotativo no espaço xy real, eles realizaram uma versão sintética da luz polarizada circularmente usando o espaço xy do qubit, que neste caso corresponde ao seu fluxo magnético e carga elétrica.

A combinação de uma nova abordagem de um projeto de qubit existente (fluxônio) e a aplicação de métodos de controle avançados aplicados à compreensão da física subjacente permitiram esse resultado.

Independente de plataforma e sem necessidade de sobrecarga de calibração adicional, este trabalho estabelece estratégias diretas para mitigar efeitos de contrarrotação de acionamentos fortes em eletrodinâmica quântica de circuitos e outras plataformas, o que os pesquisadores esperam que seja útil no esforço de realizar controle de alta fidelidade para computação quântica tolerante a falhas.

Oliver acrescenta: “Com o anúncio recente do chip quântico Willow do Google que demonstrou correção de erro quântico além do limite pela primeira vez, este é um resultado oportuno, pois aumentamos ainda mais o desempenho. Qubits de alto desempenho levarão a requisitos de sobrecarga mais baixos para implementar a correção de erro.”  

Outros pesquisadores do artigo são  Helin Zhang ,  Max Hays , Patrick M. Harrington, Ilan T. Rosen ,  Simon Gustavsson ,  Kyle Serniak ,  Jeffrey A. Grover e  Junyoung An , da RLE, que também está na EECS; e Jeffrey M. Gertler, Thomas M. Hazard, Bethany M. Niedzielski e  Mollie E. Schwartz , do Laboratório Lincoln do MIT.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelos Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, pelo Centro de Co-design para Vantagem Quântica, pela Força Aérea dos EUA, pelo Escritório do Diretor de Inteligência Nacional dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.