Uma ilustração artística mostra como bolômetros microscópicos (representados à direita) podem ser usados para detectar radiação muito fraca emitida por qubits (representados à esquerda). Crédito: Aleksandr Käkinen/Universidade Aalto
Os pesquisadores da Universidade Aalto são os primeiros no mundo a medir qubits com detectores térmicos ultrassensíveis – evitando assim o princípio da incerteza de Heisenberg.
Buscar contagens cada vez maiores de qubits em computadores quânticos de curto prazo exige constantemente novos feitos de engenharia.
Entre os obstáculos problemáticos desta corrida de expansão está o refinamento da forma como os qubits são medidos. Dispositivos chamados amplificadores paramétricos são tradicionalmente usados para fazer essas medições. Mas, como o nome sugere, o dispositivo amplifica sinais fracos captados dos qubits para conduzir a leitura, o que causa ruído indesejado e pode levar à decoerência dos qubits se não for protegido por componentes grandes adicionais. Mais importante ainda, o tamanho volumoso da cadeia de amplificação torna-se tecnicamente desafiador para contornar à medida que a contagem de qubits aumenta em refrigeradores de tamanho limitado.
Medição Qubit baseada em bolômetro
Deixe o grupo de pesquisa da Universidade Aalto, Computação Quântica e Dispositivos (QCD). Eles têm um histórico robusto de mostrar como bolômetros térmicos podem ser usados como detectores ultrassensíveis, e acabaram de demonstrar em 10 de abril Eletrônica da Natureza papel que as medições do bolômetro podem ser precisas o suficiente para leitura de qubit de disparo único.
Superando o Princípio da Incerteza de Heisenberg
Para desgosto de muitos físicos, o princípio da incerteza de Heisenberg determina que não se pode conhecer simultaneamente a posição e o momento de um sinal, ou a tensão e a corrente, com
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>precisão. O mesmo acontece com medições de qubit conduzidas com amplificadores paramétricos de tensão-corrente. Mas a detecção de energia bolométrica é um tipo de medição fundamentalmente diferente – servindo como um meio de escapar à infame regra de Heisenberg. Como um bolômetro mede potência, ou
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>fóton número, não é obrigado a adicionar ruído quântico decorrente do princípio da incerteza de Heisenberg da mesma forma que os amplificadores paramétricos.
A vantagem dos nanobolômetros
Ao contrário dos amplificadores, os bolômetros detectam sutilmente os fótons de micro-ondas emitidos pelo qubit por meio de uma interface de detecção minimamente invasiva. Este formato é aproximadamente 100 vezes menor que seu equivalente amplificador, tornando-o extremamente atraente como dispositivo de medição.
Evolução e perspectivas da medição quântica
“Ao pensar em um futuro quântico supremo, é fácil imaginar que contagens altas de qubits na casa dos milhares ou mesmo milhões poderiam ser comuns. Uma avaliação cuidadosa da pegada de cada componente é absolutamente necessária para esta expansão massiva. Nós mostramos no Eletrônica da Natureza artigo que nossos nanobolômetros poderiam ser seriamente considerados como uma alternativa aos amplificadores convencionais”, diz Mikko Möttönen, professor da Universidade Aalto, que dirige o grupo de pesquisa QCD.
“Em nossos primeiros experimentos, descobrimos que esses bolômetros são precisos o suficiente para leitura única, livres de ruído quântico adicional, e consomem 10.000 vezes menos energia do que os amplificadores típicos – tudo em um minúsculo bolômetro, cuja parte sensível à temperatura pode caber dentro de uma única bactéria”, explica Möttönen.
A fidelidade de disparo único é uma métrica importante que os físicos usam para determinar a precisão com que um dispositivo pode detectar o estado de um qubit em apenas uma medição, em oposição a uma média de múltiplas medições. No caso dos experimentos do grupo QCD, eles conseguiram obter uma fidelidade de disparo único de 61,8% com uma duração de leitura de aproximadamente 14 microssegundos. Ao corrigir o tempo de relaxamento de energia do qubit, a fidelidade salta para 92,7%.
Aprimoramentos futuros para leitura bolométrica
“Com pequenas modificações, poderíamos esperar ver bolômetros se aproximando da desejada fidelidade de disparo único de 99,9% em 200 nanossegundos. Por exemplo, podemos trocar o material do bolômetro de metal por
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>grafeno, que tem uma capacidade térmica menor e pode detectar rapidamente mudanças muito pequenas em sua energia. E ao remover outros componentes desnecessários entre o bolômetro e o próprio chip, podemos não apenas fazer melhorias ainda maiores na fidelidade da leitura, mas também podemos obter um dispositivo de medição menor e mais simples que torna mais viável a ampliação para contagens de qubit mais altas”, diz András Gunyhó, primeiro autor do artigo e pesquisador de doutorado no grupo QCD.
Antes de demonstrar a alta fidelidade de leitura única dos bolômetros em seu artigo mais recente, o grupo de pesquisa QCD mostrou pela primeira vez que os bolômetros podem ser usados para medições de microondas ultrassensíveis em tempo real em 2019. Eles então publicaram em 2020 um artigo na Nature mostrando como bolômetros feitos de grafeno podem reduzir o tempo de leitura bem abaixo de um microssegundo.
Referência: “Leitura única de um qubit supercondutor usando um detector térmico” por András M. Gunyhó, Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemelä, Giacomo Catto, Vasilii Vadimov, Visa Vesterinen, Priyank Singh, Qiming Chen e Mikko Möttönen, 10 de abril de 2024, Eletrônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41928-024-01147-7
O trabalho foi realizado no Centro de Excelência em Tecnologia Quântica (QTF) do Conselho de Pesquisa da Finlândia, usando a infraestrutura de pesquisa OtaNano em colaboração com o Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia e a IQM Quantum Computers. Foi financiado principalmente pelo Advanced Grant ConceptQ do Conselho Europeu de Pesquisa e pelo Programa Future Makers da Fundação Jane e Aatos Erkko e pela Fundação Centenário das Indústrias Tecnológicas da Finlândia.