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Cientistas ajustam a estrutura de emaranhamento em uma série de qubits

O avanço oferece uma forma de caracterizar um recurso fundamental necessário para a computação quântica.

Num grande sistema quântico composto por muitas partes interligadas, pode-se pensar no emaranhamento como a quantidade de informação quântica partilhada entre um determinado subsistema de qubits (representado como esferas com setas) e o resto do sistema maior. O emaranhado dentro de um sistema quântico pode ser categorizado como lei de área ou lei de volume com base em como essa informação compartilhada se adapta à geometria dos subsistemas, conforme ilustrado aqui.

O emaranhamento é uma forma de correlação entre objetos quânticos, como partículas em escala atômica. Este fenómeno exclusivamente quântico não pode ser explicado pelas leis da física clássica, mas é uma das propriedades que explica o comportamento macroscópico dos sistemas quânticos.

Como o emaranhamento é fundamental para o modo como os sistemas quânticos funcionam, compreendê-lo melhor poderia dar aos cientistas uma noção mais profunda de como a informação é armazenada e processada de forma eficiente em tais sistemas.

Qubits, ou bits quânticos, são os blocos de construção de um computador quântico. No entanto, é extremamente difícil criar estados emaranhados específicos em sistemas com muitos qubits, e muito menos investigá-los. Há também uma variedade de estados emaranhados e diferenciá-los pode ser um desafio.

Agora, pesquisadores do MIT demonstraram uma técnica para gerar com eficiência o emaranhamento entre uma série de qubits supercondutores que exibem um tipo específico de comportamento.

Nos últimos anos, os pesquisadores do grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) desenvolveram técnicas utilizando tecnologia de microondas para controlar com precisão um processador quântico composto por circuitos supercondutores. Além dessas técnicas de controle, os métodos introduzidos neste trabalho permitem que o processador gere com eficiência estados altamente emaranhados e mude esses estados de um tipo de emaranhamento para outro – inclusive entre tipos que têm maior probabilidade de suportar aceleração quântica e aqueles que não são.

“Aqui, estamos demonstrando que podemos utilizar os processadores quânticos emergentes como uma ferramenta para aprofundar nossa compreensão da física. Embora tudo o que fizemos neste experimento tenha sido em uma escala que ainda pode ser simulada em um computador clássico, temos um bom roteiro para dimensionar esta tecnologia e metodologia além do alcance da computação clássica”, diz Amir H. Karamlou '18, MEng '18, PhD '23, o principal autor do artigo.

O autor sênior é William D. Oliver, professor Henry Ellis Warren de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, diretor do Centro de Engenharia Quântica, líder do grupo EQuS e diretor associado do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica. Karamlou e Oliver são acompanhados pelo cientista pesquisador Jeff Grover, pelo pós-doutorado Ilan Rosen e outros nos departamentos de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e de Física do MIT, no Laboratório Lincoln do MIT, no Wellesley College e na Universidade de Maryland. A pesquisa aparece hoje em Natureza .

Avaliando o emaranhamento

Num grande sistema quântico compreendendo muitos qubits interligados, pode-se pensar no emaranhamento como a quantidade de informação quântica partilhada entre um determinado subsistema de qubits e o resto do sistema maior.

O emaranhado dentro de um sistema quântico pode ser categorizado como lei de área ou lei de volume, com base em como essa informação compartilhada se adapta à geometria dos subsistemas. No emaranhamento da lei de volume, a quantidade de emaranhamento entre um subsistema de qubits e o resto do sistema cresce proporcionalmente ao tamanho total do subsistema.

Por outro lado, o emaranhamento da lei de área depende de quantas conexões compartilhadas existem entre um subsistema de qubits e o sistema maior. À medida que o subsistema se expande, a quantidade de emaranhamento só aumenta ao longo da fronteira entre o subsistema e o sistema maior.

Em teoria, a formação do emaranhamento da lei dos volumes está relacionada com o que torna a computação quântica tão poderosa.

“Embora ainda não tenhamos abstraído completamente o papel que o emaranhamento desempenha nos algoritmos quânticos, sabemos que gerar emaranhamento de lei de volume é um ingrediente chave para obter uma vantagem quântica”, diz Oliver.

No entanto, o emaranhamento da lei de volume também é mais complexo do que o emaranhamento da lei de área e praticamente proibitivo em escala para simular usando um computador clássico.

“À medida que você aumenta a complexidade do seu sistema quântico, fica cada vez mais difícil simulá-lo com computadores convencionais. Se eu estiver tentando acompanhar totalmente um sistema com 80 qubits, por exemplo, precisarei armazenar mais informações do que aquilo que armazenamos ao longo da história da humanidade”, diz Karamlou.

Os pesquisadores criaram um processador quântico e um protocolo de controle que lhes permite gerar e investigar com eficiência ambos os tipos de emaranhamento.

Seu processador compreende circuitos supercondutores, que são usados ​​para projetar átomos artificiais. Os átomos artificiais são utilizados como qubits, que podem ser controlados e lidos com alta precisão por meio de sinais de micro-ondas.

O dispositivo utilizado para este experimento continha 16 qubits, dispostos em uma grade bidimensional. Os pesquisadores ajustaram cuidadosamente o processador para que todos os 16 qubits tivessem a mesma frequência de transição. Em seguida, eles aplicaram um drive de micro-ondas adicional a todos os qubits simultaneamente.

Se esse drive de micro-ondas tiver a mesma frequência dos qubits, ele gerará estados quânticos que exibem emaranhamento de lei de volume. No entanto, à medida que a frequência de micro-ondas aumenta ou diminui, os qubits exibem menos emaranhamento de lei de volume, eventualmente passando para estados emaranhados que seguem cada vez mais uma escala de lei de área.

Controle cuidadoso

“Nosso experimento é um tour de force das capacidades dos processadores quânticos supercondutores. Em um experimento, operamos o processador tanto como um dispositivo de simulação analógico, permitindo-nos preparar eficientemente estados com diferentes estruturas de emaranhamento, quanto como um dispositivo de computação digital, necessário para medir a escala de emaranhamento resultante”, diz Rosen.

Para permitir esse controle, a equipe trabalhou anos na construção cuidadosa da infraestrutura em torno do processador quântico.

Ao demonstrar o cruzamento da lei do volume para o emaranhamento da lei da área, os pesquisadores confirmaram experimentalmente o que os estudos teóricos haviam previsto. Mais importante ainda, este método pode ser usado para determinar se o emaranhamento em um processador quântico genérico é lei de área ou lei de volume.

“O experimento do MIT ressalta a distinção entre emaranhamento de lei de área e lei de volume em simulações quânticas bidimensionais usando qubits supercondutores. Isso complementa lindamente nosso trabalho sobre tomografia hamiltoniana de emaranhamento com íons presos em uma publicação paralela publicada em Natureza em 2023″, diz Peter Zoller, professor de física teórica na Universidade de Innsbruck, que não esteve envolvido neste trabalho.

“Quantificar o emaranhamento em grandes sistemas quânticos é uma tarefa desafiadora para computadores clássicos, mas um bom exemplo de onde a simulação quântica pode ajudar”, diz Pedram Roushan, do Google, que também não esteve envolvido no estudo. “Usando uma matriz 2D de qubits supercondutores, Karamlou e colegas foram capazes de medir a entropia de emaranhamento de vários subsistemas de vários tamanhos. Eles medem as contribuições da lei de volume e da lei de área para a entropia, revelando o comportamento cruzado à medida que a energia do estado quântico do sistema é ajustada . Isso demonstra de forma poderosa os insights únicos que os simuladores quânticos podem oferecer.”

No futuro, os cientistas poderão utilizar esta técnica para estudar o comportamento termodinâmico de sistemas quânticos complexos, que é demasiado complexo para ser estudado usando os métodos analíticos atuais e praticamente proibitivo de simular até mesmo nos supercomputadores mais poderosos do mundo.

“As experiências que fizemos neste trabalho podem ser usadas para caracterizar ou avaliar sistemas quânticos de grande escala, e também podemos aprender algo mais sobre a natureza do emaranhamento nestes sistemas de muitos corpos”, diz Karamlou.

Coautores adicionais do estudo são Sarah E. Muschinske, Cora N. Barrett, Agustin Di Paolo, Leon Ding, Patrick M. Harrington, Max Hays, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson e Yariv Yanay.

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