Cientistas encontraram uma maneira de resfriar computadores quânticos usando ruído

Espera-se que a tecnologia quântica remodele grandes áreas da sociedade. As aplicações potenciais incluem descoberta de medicamentos, inteligência artificial, otimização logística e comunicações seguras. Apesar desta promessa, ainda existem sérias barreiras técnicas que impedem a utilização no mundo real. Um dos desafios mais difíceis é manter e controlar os delicados estados quânticos que fazem estes sistemas funcionar.

Por que os computadores quânticos devem estar próximos do zero absoluto

Computadores quânticos construídos com circuitos supercondutores devem ser resfriados a temperaturas muito próximas do zero absoluto (em torno de -273°C). Nessas temperaturas, os materiais tornam-se supercondutores, permitindo que os elétrons se movam sem resistência. Somente sob essas condições extremas é que estados quânticos estáveis ​​podem se formar dentro dos qubits, as unidades básicas de informação quântica.

Esses estados quânticos são extremamente sensíveis. Pequenas mudanças de temperatura, interferência eletromagnética ou ruído de fundo podem apagar rapidamente as informações armazenadas. Essa sensibilidade torna os sistemas quânticos difíceis de operar e ainda mais difíceis de expandir.

À medida que os pesquisadores tentam ampliar os computadores quânticos para resolver problemas práticos, o calor e o ruído tornam-se mais difíceis de controlar. Sistemas maiores e mais complexos criam mais oportunidades para que a energia indesejada se espalhe e perturbe estados quânticos frágeis.

“Muitos dispositivos quânticos são, em última análise, limitados pela forma como a energia é transportada e dissipada. Compreender esses caminhos e ser capaz de medi-los nos permite projetar dispositivos quânticos nos quais os fluxos de calor são previsíveis, controláveis ​​e até úteis, “diz Simon Sundelin, estudante de doutorado em tecnologia quântica na Chalmers University of Technology e principal autor do estudo.

Usando o ruído como ferramenta de resfriamento

Em um estudo publicado em Comunicações da Naturezaa equipe de Chalmers descreve um tipo fundamentalmente diferente de refrigerador quântico. Em vez de tentar eliminar o ruído, o sistema utiliza-o como força motriz do arrefecimento.

“Os físicos especulam há muito tempo sobre um fenómeno chamado refrigeração browniana; a ideia de que flutuações térmicas aleatórias poderiam ser aproveitadas para produzir um efeito de arrefecimento. O nosso trabalho representa a realização mais próxima deste conceito até à data,” afirma Simone Gasparinetti, professora associada da Chalmers e autora sénior do estudo.

No centro da geladeira está uma molécula artificial supercondutora criada no laboratório de nanofabricação de Chalmers. Comporta-se como uma molécula natural, mas em vez de átomos, é construída a partir de minúsculos circuitos elétricos supercondutores.

A molécula artificial está conectada a vários canais de microondas. Ao adicionar ruído de micro-ondas cuidadosamente controlado na forma de flutuações aleatórias de sinal dentro de uma faixa estreita de frequência, os pesquisadores podem orientar como o calor e a energia se movem através do sistema com notável precisão.

“Os dois canais de micro-ondas servem como reservatórios quentes e frios, mas o ponto principal é que eles só são efetivamente conectados quando injetamos ruído controlado através de uma terceira porta. Esse ruído injetado permite e impulsiona o transporte de calor entre os reservatórios por meio da molécula artificial. Conseguimos medir correntes de calor extremamente pequenas, até potências da ordem de attowatts, ou 10-18 watts. Se um fluxo de calor tão pequeno fosse usado para aquecer uma gota de água, levaria a idade do universo para ver sua temperatura subir um grau Celsius”, explica Sundelin.

Novos caminhos em direção à tecnologia quântica escalável

Ao ajustar cuidadosamente as temperaturas do reservatório e rastrear minúsculos fluxos de calor, o refrigerador quântico pode operar de várias maneiras. Dependendo das condições, pode funcionar como refrigerador, atuar como motor térmico ou amplificar o transporte térmico.

Este nível de controle é especialmente importante em sistemas quânticos maiores, onde o calor é produzido localmente durante a operação e medição do qubit. Gerenciar esse calor diretamente dentro dos circuitos quânticos poderia melhorar a estabilidade e o desempenho de uma forma que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem.

“Vemos isso como um passo importante para controlar o calor diretamente dentro dos circuitos quânticos, em uma escala que os sistemas de resfriamento convencionais não conseguem alcançar. Ser capaz de remover ou redirecionar o calor nesta pequena escala abre a porta para tecnologias quânticas mais confiáveis ​​e robustas, “diz Aamir Ali, pesquisador em tecnologia quântica na Chalmers e coautor do estudo.

Mais informações

O estudo Refrigeração quântica alimentada por ruído em um circuito supercondutor foi publicado na revista científica Nature Communications. Os autores são Simon Sundelin, Mohammed Ali Aamir, Vyom Manish Kulkarni, Claudia Castillo-Moreno e Simone Gasparinetti do Departamento de Microtecnologia e Nanociência da Chalmers University of Technology.

O refrigerador quântico foi fabricado no Laboratório de Nanofabricação, Myfab, da Chalmers University of Technology.

O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Conselho Sueco de Pesquisa, pela Fundação Knut e Alice Wallenberg através do Centro Wallenberg de Tecnologia Quântica (WACQT), pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela União Europeia.