Os computadores quânticos poderão um dia resolver problemas urgentes que são demasiado complexos para os computadores clássicos, como a modelagem de interações moleculares complexas para agilizar a descoberta de medicamentos e o desenvolvimento de materiais. 

Mas, para construir um computador quântico supercondutor grande e resistente o suficiente para aplicações no mundo real, os cientistas precisam projetar com precisão milhares de circuitos quânticos para que realizem operações com a menor taxa de erro possível.

Para ajudar os cientistas a projetar circuitos mais previsíveis, pesquisadores do MIT e do Lincoln Laboratory desenvolveram uma técnica para medir uma propriedade que pode causar, inesperadamente, o desvio de um circuito quântico supercondutor de seu comportamento esperado. Sua análise revelou a origem dessas distorções, conhecidas como correções harmônicas de segunda ordem, que levam a arquiteturas de circuito com desempenho inferior.

Os pesquisadores do MIT fabricaram um dispositivo para detectar correções harmônicas de segunda ordem, identificar sua origem e medir com precisão sua intensidade. Essa técnica pode ajudar os cientistas a projetar circuitos quânticos capazes de neutralizar os efeitos dessas distorções.

Isso é especialmente importante em circuitos quânticos maiores e mais complexos, onde o impacto negativo das correções harmônicas de segunda ordem pode ser amplificado. 

“À medida que aumentamos o tamanho dos nossos computadores quânticos e buscamos um controle mais preciso sobre os parâmetros desses dispositivos, identificar e medir esses efeitos será fundamental para que tenhamos uma compreensão precisa de como esses sistemas são construídos. É sempre importante continuar investigando o circuito a fundo para verificar se há algum efeito inesperado que impacte o desempenho do dispositivo”, afirma Max Hays, cientista pesquisador do grupo de Engenharia de Sistemas Quânticos (EQuS) do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e coautor principal de um artigo sobre esta pesquisa .

Hays é acompanhado no artigo pelo coautor principal Junghyun Kim, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no grupo EQuS; pelo autor sênior William D. Oliver, professor titular da cátedra Henry Ellis Warren (1894) de EECS e professor de física, líder do grupo EQuS, diretor do Centro de Engenharia Quântica e diretor associado do RLE; bem como por outros pesquisadores do MIT e do Laboratório Lincoln. A pesquisa foi publicada hoje na revista Nature Physics .

Em um computador quântico que utiliza circuitos supercondutores, uma das muitas plataformas computacionais potenciais, as junções Josephson são elementos cruciais que permitem a transferência e manipulação de informações. Esses dispositivos utilizam dois fios supercondutores muito próximos um do outro, com uma barreira em escala nanométrica entre eles. Assim como em um circuito tradicional, a carga elétrica nas junções Josephson é transportada por elétrons. 

Mas em um circuito supercondutor, os elétrons que carregam carga se emparelham, formando o que chamamos de pares de Cooper. Esses pares de Cooper podem realizar um "tunelamento quântico" através da barreira entre os dois fios, transportando corrente de um fio para o outro.

Os pares de Cooper geralmente só conseguem tunelar um par de cada vez, o que é uma propriedade fundamental que torna possível a computação quântica. 

Mas, às vezes, os pares de Cooper podem inesperadamente atravessar a barreira dois a dois, um efeito conhecido como correção harmônica de segunda ordem. Esse efeito limita o desempenho de um circuito quântico configurado para permitir apenas o tunelamento de um único par.

“Se dois pares de Cooper realizarem tunelamento ao mesmo tempo, a premissa que usamos para construir nosso circuito deixa de ser válida. Precisamos corrigir o circuito para que ele suporte essa situação”, afirma Kim.

Mas, antes de poderem consertar o circuito, os cientistas precisam saber a origem e a intensidade dessas distorções.

Para obter essas informações, os pesquisadores do MIT fabricaram um circuito quântico que fosse muito sensível a esses efeitos. Essencialmente, o dispositivo foi projetado para suprimir o processo de tunelamento quântico de pares de Cooper individuais, permitindo, ao mesmo tempo, que o processo de tunelamento de dois pares continue. 

Dessa forma, eles podem detectar a presença de correções harmônicas de segunda ordem e medir com precisão sua intensidade. 

Eles também podem usar esse circuito para identificar a origem desses harmônicos, o que ajuda os pesquisadores a determinar a melhor maneira de corrigi-los. 

Existem duas fontes potenciais de harmônicos de segunda ordem — uma fonte é intrínseca à dinâmica da junção Josephson e a outra é causada pelos fios que conectam a junção a outros elementos do circuito. 

Embora pesquisas anteriores tivessem indicado que os harmônicos de segunda ordem poderiam ser devidos à dinâmica da junção, os pesquisadores do MIT descobriram que a indutância adicional — a tendência de se opor às mudanças no fluxo de corrente elétrica — dos fios no circuito era a fonte real em seus dispositivos. 

“Isso é importante porque, se soubermos de onde vem a correção harmônica de segunda ordem, podemos prever sua provável intensidade e usar essa informação para projetar circuitos mais previsíveis que, esperamos, terão um desempenho melhor”, diz Hays.

No futuro, os pesquisadores pretendem projetar experimentos que prevejam com mais precisão o desempenho de um dispositivo quando ocorrerem correções harmônicas de segunda ordem. Eles também querem estudar outras fontes de correções harmônicas de segunda ordem e se essas fontes podem ter impactos negativos em um circuito sob diferentes condições de fabricação.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Centro de Codisign para Vantagem Quântica dos EUA, pela Força Aérea dos EUA, pela Fundação Coreana para Estudos Avançados e pelo Programa de Bolsas de Pesquisa Pós-Doutoral da Comunidade de Inteligência do MIT.