A praticidade da computação qua¢ntica depende da integridade do bit qua¢ntico, ou qubit.

Qubits, os elementos la³gicos dos computadores qua¢nticos, são sistemas coerentes de dois na­veis que representam informações qua¢nticas. Cada qubit tem a estranha habilidade de estar em uma superposição qua¢ntica, carregando aspectos de ambos os estados simultaneamente, permitindo uma versão qua¢ntica de computação paralela. Os computadores qua¢nticos, se pudessem ser escalados para acomodar muitos qubits em um processador, poderiam ser estonteantemente mais rápidos e capazes de lidar com problemas muito mais complexos do que os computadores convencionais de hoje.

Mas tudo depende da integridade de um qubit, ou de quanto tempo ele pode operar antes que sua superposição e as informações qua¢nticas sejam perdidas - um processo chamado decoeraªncia, que em última insta¢ncia limita o tempo de execução do computador. Os qubits supercondutores - uma modalidade de qubit lider atualmente - alcana§aram uma melhoria exponencial nesta manãtrica chave, de menos de um nanossegundo em 1999 para cerca de 200 microssegundos hoje para os dispositivos de melhor desempenho.

Mas pesquisadores do MIT, MIT Lincoln Laboratory e Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) descobriram que o desempenho de um qubit em breve ira¡ bater em uma parede. Em um artigo publicado hoje na Nature , a equipe relata que a radiação de fundo de baixo na­vel, de outra forma inofensiva, emitida por oligoelementos em paredes de concreto e raios ca³smicos que chegam são suficientes para causar decoeraªncia em qubits. Eles descobriram que esse efeito, se não mitigado, limitara¡ o desempenho dos qubits a apenas alguns milissegundos.

Dada a taxa na qual os cientistas vão melhorando os qubits, eles podem atingir essa parede induzida por radiação em apenas alguns anos. Para superar essa barreira, os cientistas tera£o que encontrar maneiras de proteger os qubits - e quaisquer computadores qua¢nticos práticos - da radiação de baixo na­vel, talvez construindo computadores no subsolo ou projetando qubits que sejam tolerantes aos efeitos da radiação.

“Esses mecanismos de decoeraªncia são como uma cebola, e temos descascado as camadas nos últimos 20 anos, mas háoutra camada que não diminuiu e vai nos limitar em alguns anos, que éa radiação ambiental”, diz William Oliver, professor associado de engenharia elanãtrica e ciência da computação e Lincoln Laboratory Fellow no MIT. “Este éum resultado empolgante, porque nos motiva a pensar em outras maneiras de projetar qubits para contornar esse problema.”

O autor principal do artigo éAntti Vepsa¤la¤inen, pa³s-doutorado no Laborata³rio de Pesquisa de Eletra´nica do MIT.

“a‰ fascinante como os qubits supercondutores são sensa­veis a  radiação fraca. Compreender esses efeitos em nossos dispositivos também pode ser útil em outras aplicações, como sensores supercondutores usados ​​em astronomia ”, diz Vepsa¤la¤inen.

Os coautores do MIT incluem Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson e o professor de física Joseph Formaggio, juntamente com David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski e Jonilyn Yoder no Lincoln Laboratory e John Orrell, Ben Loer e Brent VanDevender do PNNL.

Qubits supercondutores são circuitos elanãtricos feitos de materiais supercondutores. Eles compreendem uma grande quantidade de pares de elanãtrons, conhecidos como pares de Cooper, que fluem pelo circuito sem resistência e trabalham juntos para manter o taªnue estado de superposição do qubit. Se o circuito for aquecido ou interrompido de outra forma, os pares de elanãtrons podem se dividir em “quasiparta­culas”, causando descoeraªncia no qubit que limita sua operação.

Existem muitas fontes de decoeraªncia que podem desestabilizar um qubit, como campos magnanãticos e elanãtricos flutuantes, energia tanãrmica e atémesmo interferaªncia entre os qubits.

Os cientistas hámuito suspeitam que na­veis muito baixos de radiação podem ter um efeito desestabilizador semelhante nos qubits.

“Nos últimos cinco anos, a qualidade dos qubits supercondutores melhorou muito e agora estamos a um fator de 10 de onde os efeitos da radiação sera£o importantes”, acrescenta Kim, membro da equipe técnica do MIT Lincoln Laboratotry .

Então, Oliver e Formaggio se uniram para ver como eles poderiam identificar o efeito da radiação ambiental de baixonívelsobre os qubits. Como neutrino fa­sico, Formaggio tem experiência em projetar experimentos que protegem contra as menores fontes de radiação, para ser capaz de ver neutrinos e outraspartículas difa­ceis de detectar.

A equipe, trabalhando com colaboradores do Lincoln Laboratory e PNNL, primeiro teve que projetar um experimento para calibrar o impacto dos na­veis conhecidos de radiação no desempenho dos qubit supercondutores. Para fazer isso, eles precisavam de uma fonte radioativa conhecida - uma que se tornasse menos radioativa devagar o suficiente para avaliar o impacto em na­veis de radiação essencialmente constantes, mas rápida o suficiente para avaliar uma gama de na­veis de radiação dentro de algumas semanas, atéonívelde radiação de fundo .

O grupo optou por irradiar uma folha de cobre de alta pureza. Quando exposto a um alto fluxo de naªutrons, o cobre produz grandes quantidades de cobre-64, um isãotopo insta¡vel com exatamente as propriedades desejadas.

“O cobre apenas absorve naªutrons como uma esponja”, diz Formaggio, que trabalhou com operadores no Laborata³rio de Reator Nuclear do MIT para irradiar dois pequenos discos de cobre por vários minutos. Eles então colocaram um dos discos ao lado dos qubits supercondutores em uma geladeira de diluição no laboratório de Oliver no campus. Em temperaturas cerca de 200 vezes mais frias do que o espaço sideral, eles mediram o impacto da radioatividade do cobre na coeraªncia dos qubits enquanto a radioatividade diminua­a - atéos na­veis ambientais de fundo.

A radioatividade do segundo disco foi medida a  temperatura ambiente como um medidor para os na­veis que atingem o qubit. Por meio dessas medições e simulações relacionadas, a equipe entendeu a relação entre os na­veis de radiação e o desempenho do qubit, que poderia ser usada para inferir o efeito da radiação ambiental de ocorraªncia natural. Com base nessas medições, o tempo de coeraªncia do qubit seria limitado a cerca de 4 milissegundos.

A equipe então removeu a fonte radioativa e passou a demonstrar que proteger os qubits da radiação ambiental melhora o tempo de coeraªncia. Para fazer isso, os pesquisadores construa­ram uma parede de 2 toneladas de tijolos de chumbo que poderia ser levantada e abaixada em uma tesoura para proteger ou expor a geladeira a  radiação circundante.

“Construa­mos um pequeno castelo ao redor desta geladeira”, diz Oliver.

A cada 10 minutos, e ao longo de várias semanas, os alunos no laboratório de Oliver alternavam apertando um botão para levantar ou abaixar a parede, enquanto um detector media a integridade dos qubits, ou "taxa de relaxamento", uma medida de como a radiação ambiental impacta o qubit , com e sem o escudo. Ao comparar os dois resultados, eles efetivamente extraa­ram o impacto atribua­do a  radiação ambiental, confirmando a previsão de 4 milissegundos e demonstrando que a blindagem melhorou o desempenho do qubit.

“a‰ difa­cil eliminar a radiação de raios ca³smicos”, afirma Formaggio. “a‰ muito penetrante e atravessa tudo como um jato de a¡gua. Se vocêentrar no subterra¢neo, isso fica cada vez menos. Provavelmente não énecessa¡rio construir computadores qua¢nticos no subsolo, como experimentos de neutrinos, mas talvez instalações subterra¢neas profundas possam fazer com que os qubits operem em na­veis melhores ”.

Ir para o subterra¢neo não éa única opção, e Oliver tem ideias de como projetar dispositivos de computação qua¢ntica que ainda funcionam em face da radiação de fundo.

“Se quisermos construir uma indaºstria, provavelmente preferira­amos mitigar os efeitos da radiação acima do solo”, diz Oliver. “Podemos pensar em projetar qubits de uma forma que os torne 'rad-hard' e menos sensa­veis a quasiparta­culas, ou criar armadilhas para quasiparta­culas de modo que, mesmo que sejam constantemente gerados por radiação, possam fluir para longe do qubit . Portanto, definitivamente não éo fim do jogo, éapenas a próxima camada da cebola que precisamos resolver. ”

Essa pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escrita³rio de Fa­sica Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos, pelo Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos Estados Unidos, pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos e pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos.