Dentro brevemente
- Os pesquisadores demonstraram interferência entre fótons de luz e microondas, o que é um passo importante na conexão de redes quânticas e processadores quânticos remotos.
- A equipe desenvolveu um dispositivo em escala de chip que usa transdutores acústicos para gerar pares de fótons emaranhados em temperaturas criogênicas.
- Apesar de desafios como o ruído causado pela bomba, a pesquisa estabelece as bases para futuros sistemas de comunicação quântica e arquiteturas modulares de computação quântica.
Os pesquisadores relatam que desenvolveram uma nova fonte de fótons emaranhados, um passo em direção a uma forte comunicação quântica e propriedades computacionais.
Especificamente, este estudo, publicado na Physical Review X, mostra o emaranhado entre fótons de luz e microondas separados por cinco ordens de grandeza de energia, abrindo caminho para redes quânticas conectando processadores supercondutores.
“Nosso trabalho demonstra um requisito fundamental para a construção de informação quântica onde interfaces de temperatura ambiente podem ser usadas para integrar processadores supercondutores de bits quânticos em ambientes criogênicos remotos”, escreveu a equipe.
A equipe, formada por pesquisadores de instituições como o Instituto de Tecnologia da Califórnia e a Universidade de Chicago, está focada em superar os desafios na criação de transdutores quânticos eficientes. Esses dispositivos são essenciais para converter estados quânticos entre diferentes modos, como fótons ópticos e de micro-ondas, na comunicação quântica de longo alcance.
No entanto, os esforços anteriores enfrentaram problemas como a baixa eficiência e o ruído, que dificultaram a implementação eficaz. Ao projetar um dispositivo em escala de chip com um transdutor acústico integrado, os pesquisadores descobriram interferência entre fótons ópticos e fótons de micro-ondas, o que é importante para futuras redes quânticas. Os transdutores acústicos — os tipos mais simples são encontrados em microfones e alto-falantes — convertem ondas sonoras, que são energia acústica, em sinais elétricos, ou vice-versa, e podem alterar frequências.
Essa dobra permite a comunicação quântica confiável em longas distâncias usando canais ópticos, ao mesmo tempo que mantém as vantagens computacionais dos processadores supercondutores.
Capacidade de expansão
O emaranhamento, um recurso fundamental da computação quântica, permite comunicação segura e operações complexas de informações quânticas. Historicamente, fontes de luz coerentes foram desenvolvidas para testar os fundamentos da mecânica quântica. Neste estudo, os pesquisadores ampliaram essa capacidade projetando fótons ligados a níveis de energia muito diferentes, uma inovação promissora para redes quânticas e aplicações de detecção distribuída.
À medida que os processadores quânticos crescem em tamanho e complexidade, os sistemas futuros provavelmente dependerão de arquiteturas modulares que conectem diferentes dispositivos quânticos por meio de interconexões, segundo os pesquisadores.
A fonte tangível fornece a base para a construção de sistemas quânticos modulares, conectando processadores quânticos supercondutores através de canais ópticos, de acordo com os cientistas.
Isso estará alinhado com a direção futura da computação quântica supercondutora, acrescentam: “O tamanho e a complexidade crescentes dos processadores quânticos supercondutores sugerem que os futuros computadores quânticos de grande escala baseados em qubits supercondutores provavelmente serão sistemas padrão com processadores interconectados. Com esse objetivo de longo prazo, foi prevista a construção de uma rede quântica com canais de luz como links de comunicação de baixa perda, temperatura na sala entre processadores supercondutores resfriados em diferentes áreas da geladeira. “
A rede que eles imaginam usará links ópticos de baixa perda e temperatura ambiente para conectar processadores alojados em locais remotos. Estes avanços poderão ajudar a dimensionar os sistemas de computação quântica, especialmente em áreas como a comunicação segura e a computação em grande escala.
Métodos e resultados principais
O cerne do método dos pesquisadores envolveu um transdutor acústico, neste caso, um dispositivo que modula simultaneamente a frequência da cavidade visível e gera uma tensão em ressonadores elétricos altamente eficientes. Os experimentos foram realizados em temperaturas criogênicas para manter estados quase quânticos dos componentes do sistema. Usando pulsos de laser, a equipe criou pares de fótons emaranhados e mediu a correlação estatística entre microondas e emissões ópticas para confirmar o emaranhamento.
Outra descoberta importante é que o desempenho do dispositivo excede os limites clássicos, indicando uma captura bem-sucedida. A fidelidade do estado de Bell excedeu o limite clássico em mais de quatro desvios padrão, indicando o emaranhado entre as regiões ópticas de micro-ondas, segundo os pesquisadores.
Apesar de algumas limitações devido ao ruído da bomba, os resultados sugerem que este método pode ser a base para operações quânticas de alta fidelidade em uma rede distribuída.
Os qubits fotônicos de micro-ondas produzidos no experimento podem interagir diretamente com qubits supercondutores, facilitando o teletransporte quântico e outros protocolos avançados. Além disso, os pesquisadores observaram que este método é resistente a certos tipos de erros quânticos, como erros de perda, tornando-o uma forte opção para futuros sistemas quânticos.
Limitações e direções futuras
Embora o teste mostre um grande avanço, ainda existem vários desafios que precisam ser enfrentados. A principal fonte de ruído no sistema vem do calor causado pela bomba, o que reduz a confiabilidade dos circuitos de retardo. Os pesquisadores pretendem melhorar o gerenciamento térmico do transdutor para aumentar as taxas de captura e a confiabilidade em experimentos futuros. Eles acrescentam que, ao otimizar a queima do transdutor, podemos melhorar ainda mais o desempenho do sistema e aumentar as taxas de produção tangíveis em até 1.000 por segundo.
Pesquisas futuras também se concentrarão na combinação do sistema com nós qubit supercondutores para criar redes quânticas funcionais.
Esta pesquisa representa um esforço colaborativo em muitas áreas da pesquisa quântica, incluindo especialização em optomecânica, circuitos supercondutores e ciência da informação quântica. A equipe inclui Srujan Meesala, David Lake e Steven Wood, com contribuições de Piero Chiappina, Changchun Zhong, Andrew D. Beyer, Matthew D. Shaw, Liang Jiang e Oskar Painter. Os pesquisadores colaboram com instituições líderes como o Instituto de Tecnologia da Califórnia, a Universidade de Chicago e o Laboratório de Propulsão a Jato.
