Os computadores quânticos têm o potencial de resolver problemas complexos que seriam impossíveis de serem resolvidos pelo mais poderoso supercomputador clássico.

Assim como um computador clássico tem componentes separados, mas interconectados, que devem trabalhar juntos, como um chip de memória e uma CPU em uma placa-mãe, um computador quântico precisará comunicar informações quânticas entre vários processadores.

As arquiteturas atuais usadas para interconectar processadores quânticos supercondutores são “ponto a ponto” em conectividade, o que significa que exigem uma série de transferências entre nós de rede, com taxas de erro compostas.

No caminho para superar esses desafios, pesquisadores do MIT desenvolveram um novo dispositivo de interconexão que pode suportar comunicação escalável, "todos para todos", de modo que todos os processadores quânticos supercondutores em uma rede possam se comunicar diretamente entre si.

Eles criaram uma rede de dois processadores quânticos e usaram sua interconexão para enviar fótons de micro-ondas para frente e para trás sob demanda em uma direção definida pelo usuário. Fótons são partículas de luz que podem transportar informações quânticas.

O dispositivo inclui um fio supercondutor, ou guia de onda, que transporta fótons entre processadores e pode ser roteado até onde for necessário. Os pesquisadores podem acoplar qualquer número de módulos a ele, transmitindo informações de forma eficiente entre uma rede escalável de processadores.

Eles usaram essa interconexão para demonstrar o entrelaçamento remoto, um tipo de correlação entre processadores quânticos que não estão fisicamente conectados. O entrelaçamento remoto é um passo fundamental para o desenvolvimento de uma rede poderosa e distribuída de muitos processadores quânticos.

“No futuro, um computador quântico provavelmente precisará de interconexões locais e não locais. Interconexões locais são naturais em matrizes de qubits supercondutores. A nossa permite mais conexões não locais. Podemos enviar fótons em diferentes frequências, tempos e em duas direções de propagação, o que dá à nossa rede mais flexibilidade e rendimento”, diz Aziza Almanakly, uma estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação no grupo Engineering Quantum Systems do Research Laboratory of Electronics (RLE) e autora principal de um artigo sobre a interconexão.

Seus coautores incluem Beatriz Yankelevich, uma estudante de pós-graduação no EQuS Group; o autor sênior William D. Oliver, o Henry Ellis Warren (1894) Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e professor de Física, diretor do Center for Quantum Engineering e diretor associado do RLE; e outros no MIT e no Lincoln Laboratory. A pesquisa aparece hoje na Nature Physics .

Os pesquisadores  desenvolveram anteriormente um módulo de computação quântica , que lhes permitiu enviar fótons de micro-ondas portadores de informações em qualquer direção ao longo de um guia de ondas.

No novo trabalho, eles levaram essa arquitetura um passo adiante ao conectar dois módulos a um guia de ondas para emitir fótons na direção desejada e então absorvê-los na outra extremidade.

Cada módulo é composto de quatro qubits, que servem como uma interface entre o guia de ondas que transporta os fótons e os processadores quânticos maiores.

Os qubits acoplados ao guia de ondas emitem e absorvem fótons, que são então transferidos para qubits de dados próximos.

Os pesquisadores usam uma série de pulsos de micro-ondas para adicionar energia a um qubit, que então emite um fóton. Controlar cuidadosamente a fase desses pulsos permite um efeito de interferência quântica que permite que eles emitam o fóton em qualquer direção ao longo do guia de onda. Reverter os pulsos no tempo permite que um qubit em outro módulo a qualquer distância arbitrária absorva o fóton.

“Lançar e capturar fótons nos permite criar uma 'interconexão quântica' entre processadores quânticos não locais, e com as interconexões quânticas vem o emaranhamento remoto”, explica Oliver.

“Gerar emaranhamento remoto é um passo crucial para construir um processador quântico de larga escala a partir de módulos de menor escala. Mesmo depois que o fóton se foi, temos uma correlação entre dois qubits distantes, ou 'não locais'. O emaranhamento remoto nos permite tirar vantagem dessas correlações e executar operações paralelas entre dois qubits, mesmo que eles não estejam mais conectados e possam estar distantes”, explica Yankelevich.

No entanto, transferir um fóton entre dois módulos não é suficiente para gerar emaranhamento remoto. Os pesquisadores precisam preparar os qubits e o fóton para que os módulos “compartilhem” o fóton no final do protocolo.

A equipe fez isso interrompendo os pulsos de emissão de fótons na metade de sua duração. Em termos mecânicos quânticos, o fóton é retido e emitido. Classicamente, pode-se pensar que metade de um fóton é retido e metade é emitido.

Uma vez que o módulo receptor absorve esse “meio-fóton”, os dois módulos ficam emaranhados.

Mas, à medida que o fóton viaja, juntas, ligações de fios e conexões no guia de ondas distorcem o fóton e limitam a eficiência de absorção do módulo receptor.

Para gerar emaranhamento remoto com fidelidade ou precisão alta o suficiente, os pesquisadores precisavam maximizar a frequência com que o fóton é absorvido na outra extremidade.

“O desafio neste trabalho foi moldar o fóton apropriadamente para que pudéssemos maximizar a eficiência de absorção”, diz Almanakly.

Eles usaram um algoritmo de aprendizado de reforço para “pré-distorcer” o fóton. O algoritmo otimizou os pulsos do protocolo para moldar o fóton para máxima eficiência de absorção.

Quando implementaram esse protocolo de absorção otimizado, eles conseguiram mostrar uma eficiência de absorção de fótons superior a 60%.

Essa eficiência de absorção é alta o suficiente para provar que o estado resultante no final do protocolo é emaranhado, um marco importante nessa demonstração.

“Podemos usar essa arquitetura para criar uma rede com conectividade all-to-all. Isso significa que podemos ter vários módulos, todos ao longo do mesmo barramento, e podemos criar emaranhamento remoto entre qualquer par de nossa escolha”, diz Yankelevich.

No futuro, eles poderiam melhorar a eficiência de absorção otimizando o caminho sobre o qual os fótons se propagam, talvez integrando módulos em 3D em vez de ter um fio supercondutor conectando pacotes de micro-ondas separados. Eles também poderiam tornar o protocolo mais rápido para que houvesse menos chances de erros se acumularem.

“Em princípio, nosso protocolo de geração de emaranhamento remoto também pode ser expandido para outros tipos de computadores quânticos e sistemas maiores de internet quântica”, diz Almanakly.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Centro de Computação Quântica da AWS e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.