Avanço do computador quântico rastreia flutuações de qubit em tempo real

Qubits são as unidades fundamentais dos computadores quânticos, que os cientistas esperam que um dia superem o desempenho das máquinas mais poderosas da atualidade. Mas os qubits são extremamente sensíveis. Os materiais usados ​​para construí-los geralmente contêm pequenos defeitos que os cientistas ainda não entendem completamente. Estas imperfeições microscópicas podem mudar de posição centenas de vezes por segundo. À medida que se movem, eles alteram a rapidez com que um qubit perde energia e, com isso, informações quânticas valiosas.

Até recentemente, os métodos de teste padrão levavam até um minuto para medir o desempenho do qubit. Isso foi lento demais para capturar essas flutuações rápidas. Em vez disso, os pesquisadores só conseguiram determinar uma taxa média de perda de energia, mascarando o comportamento verdadeiro e muitas vezes instável do qubit.

É como pedir a um burro de carga forte que puxe um arado enquanto obstáculos aparecem constantemente em seu caminho, mais rápido do que qualquer pessoa possa reagir. O animal pode ser capaz, mas perturbações imprevisíveis tornam o trabalho muito mais difícil.

Controle Qubit em tempo real alimentado por FPGA

Uma equipe de pesquisa do Centro de Dispositivos Quânticos do Instituto Niels Bohr e do Programa de Computação Quântica da Fundação Novo Nordisk, liderada pelo pesquisador de pós-doutorado Dr. Fabrizio Berritta, desenvolveu um sistema de medição adaptativo em tempo real que rastreia mudanças na taxa de perda de energia (relaxamento) do qubit à medida que ocorrem. O projeto envolveu a colaboração com cientistas da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, da Universidade de Leiden e da Universidade Chalmers.

A nova abordagem depende de um controlador clássico rápido que atualiza sua estimativa da taxa de relaxamento de um qubit em milissegundos. Isso corresponde à velocidade natural das próprias flutuações, em vez de atrasar segundos ou minutos como acontecia com os métodos mais antigos.

Para conseguir isso, a equipe usou um Field Programmable Gate Array (FPGA), um tipo de processador clássico projetado para operações extremamente rápidas. Ao executar o experimento diretamente no FPGA, eles puderam gerar rapidamente uma “melhor estimativa” de quão rápido o qubit estava perdendo energia usando apenas algumas medições. Isso eliminou a necessidade de transferências de dados mais lentas para um computador convencional.

Programar FPGAs para tarefas especializadas pode ser um desafio. Mesmo assim, os pesquisadores conseguiram atualizar o modelo bayesiano interno do controlador após cada medição de qubit. Isso permitiu ao sistema refinar continuamente sua compreensão da condição do qubit em tempo real.

Como resultado, o controlador agora acompanha o ambiente em mudança do qubit. As medições e os ajustes acontecem quase na mesma escala de tempo que as próprias flutuações, tornando o sistema cerca de cem vezes mais rápido do que o demonstrado anteriormente.

O trabalho também revelou algo novo. Os cientistas não sabiam anteriormente com que rapidez as flutuações ocorrem em qubits supercondutores. Esses experimentos agora forneceram essa visão.

Hardware Quantum Comercial atende controle avançado

Os FPGAs têm sido usados ​​há muito tempo em outros campos científicos e de engenharia. Neste caso, os pesquisadores usaram um controlador baseado em FPGA disponível comercialmente da Quantum Machines, chamado OPX1000. O sistema pode ser programado em linguagem semelhante ao Python, já utilizada por muitos físicos, tornando-o mais acessível a grupos de pesquisa em todo o mundo.

A integração deste controlador com hardware quântico avançado foi possível através da estreita colaboração entre o grupo de pesquisa do Instituto Niels Bohr liderado pelo Professor Associado Morten Kjaergaard e a Universidade Chalmers, onde a unidade de processamento quântico foi projetada e fabricada. “O controlador permite uma integração muito estreita entre lógica, medições e feedforward: esses componentes tornaram nosso experimento possível”, diz Morten Kjærgaard.

Por que a calibração em tempo real é importante para computadores quânticos

As tecnologias quânticas prometem novas capacidades poderosas, embora computadores quânticos práticos em grande escala ainda estejam em desenvolvimento. O progresso muitas vezes ocorre de forma incremental, mas ocasionalmente ocorrem grandes avanços.

Ao descobrir essas dinâmicas anteriormente ocultas, as descobertas remodelam a forma como os cientistas pensam sobre testar e calibrar processadores quânticos supercondutores. Com os materiais e métodos de fabricação atuais, avançar para o monitoramento e ajuste em tempo real parece essencial para melhorar a confiabilidade. Os resultados também destacam a importância das parcerias entre a investigação académica e a indústria, juntamente com utilizações criativas da tecnologia disponível.

“Hoje em dia, nas unidades de processamento quântico em geral, o desempenho geral não é determinado pelos melhores qubits, mas pelos piores: é nesses que precisamos nos concentrar. A surpresa do nosso trabalho é que um qubit ‘bom’ pode se transformar em um qubit ‘ruim’ em frações de segundo, em vez de minutos ou horas.

“Com nosso algoritmo, o hardware de controle rápido pode identificar qual qubit é ‘bom’ ou ‘ruim’ basicamente em tempo real. Também podemos coletar estatísticas úteis sobre os qubits ‘ruins’ em segundos, em vez de horas ou dias.

“Ainda não conseguimos explicar uma grande fração das flutuações que observamos. Compreender e controlar a física por trás de tais flutuações nas propriedades dos qubits será necessário para dimensionar os processadores quânticos para um tamanho útil”, diz Fabrizio.