As informações quânticas são frágeis e frequentemente difíceis de proteger durante experimentos. Proteger qubits de medições acidentais é essencial para operações quânticas controladas, especialmente durante medições de destruição de estado ou redefinições em qubits adjacentes em protocolos como correção de erro quântico. Os métodos atuais para preservar qubits atômicos contra perturbações podem desperdiçar tempo de coerência, qubits extras e introduzir erros.
Pesquisadores da Universidade de Waterloo demonstraram com sucesso a capacidade de medir e redefinir um qubit de íon preso para um estado conhecido sem perturbar qubits vizinhos a apenas alguns micrômetros de distância — uma distância menor que a largura de um fio de cabelo humano, que tem cerca de 100 micrômetros de espessura.
A demonstração tem o potencial de impactar significativamente pesquisas futuras na área, incluindo o avanço de processadores quânticos, melhorando a velocidade e as capacidades para tarefas como simulações quânticas em máquinas que já existem hoje e na implementação de correção de erros.
Esse avanço foi alcançado por uma equipe liderada por Rajibul Islam, membro do corpo docente do Instituto de Computação Quântica (IQC) e professor do Departamento de Física e Astronomia, juntamente com o pesquisador de pós-doutorado Sainath Motlakunta e alunos de seu grupo de pesquisa.
Ao controlar com precisão a luz laser usada nessas operações, eles superaram o que antes era considerado um desafio impossível: proteger qubits enquanto mediam outros a distâncias tão próximas.
Desde 2019, Islam e sua equipe vêm capturando íons usados em simulação quântica no Laboratory for Quantum Information. Esta nova demonstração é o próximo passo de um avanço usando tecnologia holográfica programável do grupo em 2021 e, combinada com uma armadilha de íons, provou que é viável manipular e destruir apenas um qubit.
“Usamos a tecnologia de modelagem de feixe holográfico, combinamos com nossa armadilha de íons e demonstramos que é realmente possível destruir qualquer qubit específico que você queira, mantendo as informações quânticas nos outros qubits que você não quer destruir”, diz Motlakunta.
Os alunos do grupo usaram a teoria quântica para calcular o quão bem a luz pode ser controlada e demonstraram que o erro é, de fato, menor do que os pesquisadores pensavam originalmente. Com foco na manipulação destrutiva de qubits, que destrói o estado de um qubit, a medição “mid-circuit” é usada para medir o estado de qubits em uma cadeia – um processo desafiador devido à proximidade dos íons. Em seguida, um feixe de laser é direcionado para manipular o qubit alvo em uma cadeia de qubits. Os pesquisadores devem garantir que a luz do laser não afete íons próximos a apenas alguns micrômetros de distância, exigindo extrema precisão para minimizar uma gama de efeitos de interferência conhecidos como diafonia.
“Qubits de íons presos são medidos usando feixes de laser ajustados para transições atômicas específicas”, diz Islam. “O íon alvo espalha fótons em todas as direções durante esse processo. Mesmo com controle perfeito sobre a luz, ainda há um risco de que esses fótons espalhados possam perturbar os estados quânticos de qubits próximos, o que limita o quão bem podemos protegê-los.”
Foi aí que a tecnologia holográfica do grupo — uma das tecnologias mais precisas usadas para controlar a luz — entrou em cena para conseguir direcionar e controlar com precisão a luz do laser.
O grupo alcançou mais de 99,9% de fidelidade na preservação de um qubit iônico “ativo” enquanto um qubit “processo” vizinho é redefinido, e mais de 99,6% de fidelidade de preservação ao aplicar um feixe de detecção no mesmo qubit vizinho por 11 microssegundos, que é a menor duração de medição demonstrada por outro grupo de pesquisa.
O processo de medir um qubit sem perturbar os outros é tão frágil que em alguns experimentos em outros lugares, onde isso é possível, eles movem os outros qubits muitas centenas de mícrons para protegê-los. O processo de mover qubits adiciona atraso e ruído aos experimentos.
“É algo que era considerado impossível”, diz Islam. “Quando pensei sobre isso, por que não posso simplesmente ir e medir um qubit sem mover nada? Praticamente todo mundo em nossa área disse que era uma má ideia e que nem deveria tentar porque é muito frágil. Parte desse trabalho é sair dessa mentalidade, de que é tão destrutivo que esse processo não pode ser tentado. O que percebemos é que para todos os níveis práticos de erros, é o quão bem você consegue controlar essa luz e quanta intensidade você consegue suprimir no qubit ao redor – o gargalo em todas essas medições.”
A abordagem do grupo de usar medições de circuito intermediário e reinicializações com luz controlada pode ser combinada com outras estratégias, como mover os qubits importantes para longe dos ativos ou ocultar informações quânticas em estados que o laser de medição não afeta, para reduzir ainda mais os erros.
A pesquisa Preservando um qubit durante operações de destruição de estado em um qubit adjacente a uma distância de alguns micrômetros por Sainath Motlakunta, Nikhil Kotibhaskar, Chung-You Shih, Anthony Vogliano, Darian McLaren, Lewis Hahn, Jingwen Zhu, Roland Hablützel e Rajibul Islam é destaque na Nature Communications.
Samantha Clark