O potencial dos computadores quânticos é atualmente frustrado por um problema de compensação. Os sistemas quânticos que podem realizar operações complexas são menos tolerantes a erros e ruídos, enquanto os sistemas mais protegidos contra ruídos são mais difíceis e lentos de calcular.

Agora, uma equipa de investigação da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, criou um sistema único que combate o dilema, abrindo assim caminho para um tempo de computação mais longo e computadores quânticos mais robustos.

Para que o impacto dos computadores quânticos seja percebido na sociedade, os pesquisadores quânticos precisam primeiro lidar com alguns obstáculos importantes. Até agora, erros e ruídos decorrentes, por exemplo, de interferência eletromagnética ou flutuações magnéticas, fazem com que os qubits sensíveis percam os seus estados quânticos – e subsequentemente a sua capacidade de continuar o cálculo. A quantidade de tempo que um computador quântico pode trabalhar em um problema é até agora limitada.

Além disso, para que um computador quântico seja capaz de resolver problemas complexos , os pesquisadores quânticos precisam encontrar uma maneira de controlar os estados quânticos. Como um carro sem volante , os estados quânticos podem ser considerados um tanto inúteis se não houver um sistema de controle eficiente para manipulá-los.

No entanto, o campo de pesquisa enfrenta um problema de trade-off. Os sistemas quânticos que permitem uma correção eficiente de erros e tempos de computação mais longos são, por outro lado, deficientes na sua capacidade de controlar estados quânticos – e vice-versa. Mas agora, uma equipa de investigação da Chalmers University of Technology conseguiu encontrar uma forma de combater este dilema.

“Criamos um sistema que permite operações extremamente complexas em um sistema quântico multiestado, a uma velocidade sem precedentes.” diz Simone Gasparinetti, líder do laboratório 202Q da Chalmers University of Technology e autora sênior do estudo.

Embora os blocos de construção de um computador clássico, os bits, tenham o valor 1 ou 0, os blocos de construção mais comuns dos computadores quânticos, os qubits, podem ter os valores 1 e 0 ao mesmo tempo – em qualquer combinação. O fenômeno é chamado de superposição e é um dos principais ingredientes que permitem a um computador quântico realizar cálculos simultâneos, resultando em um enorme potencial computacional.

Porém, qubits codificados em sistemas físicos são extremamente sensíveis a erros, o que tem levado pesquisadores da área a buscar formas de detectar e corrigir esses erros. O sistema criado pelos pesquisadores de Chalmers é baseado na chamada computação quântica de variável contínua e utiliza osciladores harmônicos, uma espécie de componente microscópico, para codificar informações de forma linear.

Os osciladores usados no estudo consistem em tiras finas de material supercondutor modeladas em um substrato isolante para formar ressonadores de microondas, uma tecnologia totalmente compatível com os mais avançados computadores quânticos supercondutores.

O método é previamente conhecido na área e se afasta do princípio de dois estados quânticos, pois oferece um número muito maior de estados quânticos físicos, tornando assim os computadores quânticos significativamente mais bem equipados contra erros e ruídos.

"Pense em um qubit como uma lâmpada azul que, mecanicamente quântica, pode ser ligada e desligada simultaneamente. Em contraste, um sistema quântico variável contínuo é como um arco-íris infinito, oferecendo um gradiente contínuo de cores. Isso ilustra sua capacidade de acessar um grande número de estados, proporcionando possibilidades muito mais ricas do que os dois estados do qubit", diz Axel Eriksson, pesquisador em tecnologia quântica na Chalmers University of Technology e principal autor do estudo.

Embora a computação quântica de variável contínua baseada em osciladores harmônicos permita uma melhor correção de erros, sua natureza linear não permite a realização de operações complexas.

Tentativas de combinar osciladores harmônicos com sistemas de controle, como sistemas quânticos supercondutores, foram feitas, mas foram prejudicadas pelo chamado efeito Kerr. O efeito Kerr, por sua vez, embaralha os muitos estados quânticos oferecidos pelo oscilador , cancelando o efeito desejado.

Ao colocar um dispositivo de sistema de controle dentro do oscilador, os pesquisadores da Chalmers conseguiram contornar o efeito Kerr e combater o problema de trade-off. O sistema apresenta uma solução que preserva as vantagens dos osciladores harmônicos, como um caminho eficiente em termos de recursos em direção à tolerância a falhas , ao mesmo tempo que permite o controle preciso dos estados quânticos em alta velocidade.

O sistema é descrito em artigo publicado na Nature Communications e pode abrir caminho para computadores quânticos mais robustos.

"Nossa comunidade muitas vezes tentou manter os elementos supercondutores longe dos osciladores quânticos, para não embaralhar os frágeis estados quânticos. Neste trabalho, desafiamos esse paradigma. Ao incorporar um dispositivo de controle no coração do oscilador, fomos capazes de evitar embaralhamento os muitos estados quânticos e, ao mesmo tempo, ser capaz de controlá-los e manipulá-los.

“Como resultado, demonstramos um novo conjunto de operações de portão realizadas em altíssima velocidade”, diz Gasparinetti.