UM GATO QUÂNTICO QUE FICA NO LUGAR POR MINUTOS

Um computador quântico só será útil se conseguir corrigir os próprios erros. Isso custa muito hardware — a menos que os erros sejam desequilibrados. Se um tipo de erro quase nunca acontece, o código de correção só precisa combater o outro tipo, e pode ser muito mais simples.

Os chamados qubits de gato (cat qubits) são construídos para ser desequilibrados. Eles guardam a informação num circuito supercondutor que contém um campo de micro-ondas, na forma de duas oscilações opostas desse campo. Transformar um 0 em 1 — uma inversão de bit (bit flip) — significa saltar de uma oscilação para a outra. Quanto mais fótons no campo, mais afastados ficam os dois estados: as inversões de bit se tornam exponencialmente mais raras com o número de fótons, enquanto o outro erro, a inversão de fase (phase flip), cresce apenas proporcionalmente.

Dois vales, um ponto fraco

Há duas maneiras de manter um gato no lugar. Os gatos “dissipativos” são constantemente empurrados de volta para seus dois estados por um parceiro com perdas; eles já se mantêm por mais de 100 segundos. Os gatos “de Kerr”, ao contrário, ficam numa paisagem de energia com dois vales separados por uma barreira, criada ao acionar um circuito não linear com um sinal. Sua vantagem é o controle rápido. Sua fraqueza: inversões de bit depois de apenas milissegundos — uma melhoria recente chegou a 3,6 ms, ainda cinco ordens de grandeza aquém.

O motivo é que nada remove a energia parasita. O ruído joga o gato em estados excitados dentro do seu vale e, a partir dali, escorregar para o outro vale fica muito mais fácil. Pior: com um acionamento forte, o qubit costuma entrar em ressonâncias com seu circuito de leitura que prejudicam seriamente a proteção.

O circuito de leitura como ralo

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov e colegas do Instituto Weizmann de Ciência, em Israel, inverteram esse problema. A mesma interação não linear que cava os dois vales também liga as excitações dentro de cada vale ao ressonador de leitura, um circuito que deixa escapar fótons continuamente para a linha de medição.

Quando a energia de uma excitação coincide com a diferença entre o sinal de acionamento e o ressonador de leitura — uma ressonância “autoparamétrica” —, a excitação é repassada como um fóton de leitura, que escapa. O 0 ou o 1 em si não é afetado. Um segundo ralo aparece através do filtro instalado na linha de saída.

A equipe mediu isso diretamente: na ressonância, o primeiro estado excitado se esvazia tão rápido quanto o circuito de leitura permite, e os estados mais altos escoam em cascata. O chip — alumínio sobre silício, resfriado a 10 milikelvin — não precisou de nenhum sinal de resfriamento extra nem de nenhum elemento de circuito extra.

Sete ordens de grandeza

Longe das ressonâncias, as inversões de bit ainda vinham em milissegundos. Perto delas, a proteção disparou:

• 519 milissegundos na ressonância do ressonador de leitura (22,4 fótons);
• 15,4 segundos entre as duas ressonâncias (27,3 fótons);
• nenhum decaimento mensurável do estado armazenado numa janela de medição de 100 segundos na ressonância do filtro (33,8 fótons), o que significa um tempo de inversão de bit de mais de 100 segundos.

Contando as raras inversões em longos registros de leituras repetidas — 62 inversões em 15 horas —, a equipe estimou o tempo de inversão de bit nesse último ponto: 448 ± 57 segundos, mais de cinco ordens de grandeza além dos gatos de Kerr anteriores.

Inversões de bit que diminuem exponencialmente com o número de fótons são uma previsão característica dos gatos de Kerr, mas nunca tinham sido observadas. Aqui estavam: cada fóton a mais multiplicou o tempo de inversão de bit por 1,82 ± 0,06, de 52 microssegundos com 7,4 fótons a 448 segundos com 33,8, cerca de sete ordens de grandeza, sem sinal de estabilização.

Portas rápidas, leitura delicada

A proteção não vale nada se o qubit deixa de poder ser usado. Uma rotação básica do qubit resfriado levou 8 nanossegundos, e deixar o sinal dessa rotação ligado o tempo todo não encurtou o tempo de inversão de bit (0,65 s com ele, 0,64 s sem ele). Ler o qubit em 4 microssegundos causou uma inversão em apenas 5 de 10 milhões de leituras.

O outro erro

O preço é a inversão de fase. Ela segue o limite esperado imposto pela perda de fótons individuais, cerca de T₁/(2n̄), em que T₁ é o tempo de vida de um fóton no circuito (cerca de 8 microssegundos) e n̄ o número de fótons. Com 24,2 fótons, o gato resistiu 3,55 segundos às inversões de bit, mas apenas 113 nanossegundos às inversões de fase: um desequilíbrio de cerca de 30 milhões para um.

Os autores apontam dois caminhos para reduzir a diferença. Tempos de vida de fótons de 55,7 microssegundos já foram demonstrados em outros lugares, cerca de sete vezes mais longos que aqui. E circuitos mais frios deixariam menos excitações parasitas, possivelmente dando a mesma proteção com menos fótons — e, portanto, menos inversões de fase.