Pesquisadores do MIT desenvolvem nova maneira de amplificar sinais quânticos e ao mesmo tempo reduzir o ruído

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Pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de aumentar os sinais quânticos enquanto reduzem o ruído ambiental usando um processo chamado "espremer".

By Kenna Hughes-Castleberry publicado em 27 de fevereiro de 2023

Devido à fragilidade e sensibilidade dos qubits dentro de um computador quântico, barulho é um fator chave para manter a integridade de todo o sistema. Como esse ruído pode afetar a análise e a leitura de um computador quântico, engenheiros e cientistas de todo o mundo estão tentando encontrar maneiras de diminuir esse ruído, mantendo os níveis atuais de comunicação entre os qubits. Recente pesquisa da MIT sugere um possível novo método de controle de ruído enquanto aumenta os sinais quânticos usando um processo conhecido como espremendo. Com seus resultados publicados em Física da Natureza, os pesquisadores esperam que a compressão possa ser utilizada na criação de componentes mais robustos para um computador quântico.

Soletrando Espremer

De acordo com o primeiro autor e aluno de pós-graduação do MIT Jack Qiu, a compressão funciona redistribuindo o ruído ambiental de uma variável para outra variável, de modo que a quantidade total de ruído seja a mesma, mas apenas menor em um parâmetro. Como Qiu explicou ainda: “Uma propriedade quântica conhecida como Princípio da Incerteza de Heisenberg requer que uma quantidade mínima de ruído seja adicionada durante o processo de amplificação, levando ao chamado 'limite quântico padrão' do ruído de fundo. No entanto, um dispositivo especial chamado Josefson amplificador paramétrico pode reduzir o ruído adicionado 'espremendo-o' abaixo do limite fundamental, redistribuindo-o efetivamente em outro lugar.”

Essa redistribuição é especialmente útil quando os pesquisadores estão focados em um parâmetro específico do sistema. “A informação quântica é representada nas variáveis conjugadas, por exemplo, a amplitude e a fase das ondas eletromagnéticas”, acrescentou Qiu. “No entanto, em muitos casos, os pesquisadores precisam apenas medir uma dessas variáveis – a amplitude ou a fase – para determinar o estado quântico do sistema. Nesses casos, eles podem 'espremer o ruído': diminuindo-o para uma variável, digamos amplitude, enquanto aumenta para a outra, neste caso, fase. A quantidade total de ruído permanece a mesma devido ao Princípio da Incerteza de Heisenberg. Ainda assim, sua distribuição pode ser moldada para que medições menos ruidosas sejam possíveis em uma das variáveis”.

Implementando compressão no sistema e aumentando os sinais quânticos

Em seu experimento, Qiu e sua equipe se concentraram em usar um novo tipo de dispositivo para iniciar a compressão. “Neste trabalho, apresentamos um novo tipo de amplificador paramétrico Josephson de onda viajante (JTWPA) projetado para compressão”, afirmou Qiu. “O dispositivo compreende muitas junções Josephson [junções contendo correntes supercondutoras] em série e ressonadores de correspondência de fase carregados periodicamente para suportar a operação de bomba dupla”. Com este dispositivo, os pesquisadores puderam ajustar todo o seu sistema, permitindo que os fótons se combinassem em sinais quânticos mais fortes e amplificados. Os resultados que eles encontraram com este novo dispositivo e configuração experimental foram emocionantes. “Essa arquitetura permitiu [os sinais quânticos] reduzir a potência do ruído em um fator 10 abaixo do limite quântico fundamental enquanto operava com 3.5 gigahertz de largura de banda de amplificação”, explicou Qiu. “Esta faixa de frequência é quase duas ordens de grandeza maior do que os dispositivos anteriores. Nosso dispositivo também demonstra a geração de banda larga de pares de fótons emaranhados, o que pode permitir que os pesquisadores leiam informações quânticas com mais eficiência, com uma relação sinal-ruído muito maior”.

Como o desenvolvimento atual de computadores quânticos está trabalhando para melhorar os sinais quânticos entre os qubits enquanto reduz o ruído ambiental, os resultados desse experimento podem ser importantes. Como Qiu e sua equipe continuam pesquisando esse processo, eles esperam que seu trabalho possa influenciar outros na indústria quântica. Como disse Qiu: “Tem um tremendo potencial se você aplicá-lo a outros sistemas quânticos - para interagir com um sistema qubit para aprimorar a leitura, ou para emaranhar qubits, ou estender a faixa de frequência operacional do dispositivo para ser utilizada na detecção de matéria escura e melhorar sua eficiência de detecção.”

Kenna Hughes-Castleberry é redatora da Inside Quantum Technology e comunicadora científica da JILA (uma parceria entre a University of Colorado Boulder e o NIST). Suas batidas de escrita incluem tecnologia profunda, metaverso e tecnologia quântica.