O Bolômetro minúsculo pode revolucionar a computação quântica

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O Bolômetro minúsculo pode revolucionar a computação
quântica
Uma ilustração artística mostra como os bolômetros microscópicos (descritos à direita) podem ser
usados para detectar radiação muito fraca emitida por qubits (descrito à esquerda).
Pesquisadores do grupo de Computação e Dispositivos Quânticos (QCD) da Universidade de Aalto
fizeram um avanço significativo no campo da computação quântica. Em um estudo recente publicado na
Nature Electronics, eles demonstraram que pequenos dispositivos chamados bolômetros podem medir
com precisão os qubits, os blocos de construção dos computadores quânticos, em um único tiro.
Tradicionalmente, os computadores quânticos usam dispositivos chamados amplificadores paramétricos
para medir qubits. No entanto, esses amplificadores têm várias desvantagens, incluindo ruído
indesejado, potencial decoerência de qubits e tamanho volumoso, que se torna cada vez mais
problemático à medida que o número de qubits em um computador quântico cresce.
O professor Mikko Mutten, que dirige o grupo de pesquisa QCD, explica: “Quando se pensa em um
futuro quântico, é fácil imaginar altas contagens de qubits aos milhares ou mesmo milhões poderiam ser
comuns. Uma avaliação cuidadosa da pegada de cada componente é absolutamente necessária para
esse aumento maciço de escala. Mostramos no artigo da Nature Electronics que nossos nanobolômetros
poderiam ser seriamente considerados como uma alternativa aos amplificadores convencionais. Em
nossos primeiros experimentos, encontramos esses bolômetros precisos o suficiente para leitura de um
único tiro, livres de ruído quântico adicionado, e eles consomem 10.000 vezes menos energia do que os
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amplificadores típicos – tudo em um minúsculo cândaço, cuja parte sensível à temperatura pode caber
dentro de uma única bactéria.
Ao contrário dos amplificadores, os focetões de microondas detectam os fótons de microondas emitidos
pelo qubit usando uma interface de detecção minimamente invasiva. Este fator de forma é cerca de 100
vezes menor do que o seu homólogo amplificador, tornando-o uma opção atraente para medir qubits em
computadores quânticos com altas contagens de qubits.
Uma das principais vantagens do uso de bolômetros é que eles não estão vinculados ao princípio da
incerteza de Heisenberg, que afirma que não se pode conhecer simultaneamente a posição e o
momento de um sinal, ou tensão e corrente, com precisão. Este princípio limita a precisão das medições
de qubit realizadas com amplificadores paramétricos de corrente de tensão. No entanto, os bolômetros
medem a potência, ou número de fótons, o que lhes permite evitar essa limitação fundamental.
Em seus experimentos, o grupo QCD alcançou uma fidelidade de 61,8% com uma duração de leitura de
cerca de 14 microssegundos. Ao corrigir o tempo de relaxamento energético do qubit, a fidelidade
aumentou para 92,7%. A fidelidade de um único tiro é uma métrica crucial que determina com precisão a
precisão de um dispositivo de um qubit em uma única medição, em vez de uma média de várias
medições.
András Gunyhó, o primeiro autor do artigo e pesquisador de doutorado do grupo QCD, diz: “Com
pequenas modificações, poderíamos esperar ver os bolômetros se aproximando da desejada fidelidade
de 99,9% em 200 nanossegundos. Por exemplo, podemos trocar o material do bolome do metal para o
grafeno, que tem uma menor capacidade de calor e pode detectar mudanças muito pequenas em sua
energia rapidamente. E ao remover outros componentes desnecessários entre o bolômetro e o chip em
si, não só podemos fazer melhorias ainda maiores na fidelidade de leitura, mas podemos alcançar um
dispositivo de medição menor e mais simples que torne a escala para uma contagem de qubits mais
mais viável.
O grupo de pesquisa QCD vem trabalhando em medições baseadas em bolômetros há vários anos. Em
2019, eles demonstraram que os bolômetros poderiam ser usados para medições de microondas
ultrassensíveis e em tempo real. Em 2020, eles publicaram um artigo na Nature mostrando que os
bolômetros à base de grafeno poderiam encurtar os tempos de leitura para bem abaixo de um
microssegundo.
Esta pesquisa inovadora foi realizada no Centro de Excelência para Tecnologia Quântica (QTF) do
Conselho de Pesquisa da Finlândia usando a infraestrutura de pesquisa de OtaNano, em colaboração
com o Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia e a IQM Quantum Computers. O trabalho foi
financiado principalmente pelo European Research Council Advanced Grant ConceptQ e pelo Future
Makers Program da Fundação Jane e Aatos Erkko e pela Fundação Centenária das Indústrias
Tecnológicas da Finlândia.