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| Esquema da leitura de um qubit de Andreev sem o uso de qubits auxiliares (Imagem: Marcus Egues e José Carlos Egues, com ajuda do ChatGPT) |
Proposta teórica elimina a necessidade de circuitos auxiliares para "espionar" os bits quânticos, transformando a corrente elétrica do próprio sistema em um espelho da informação
Uma das dificuldades
fundamentais da computação quântica está no próprio ato de obter informação de
um bit quântico, o qubit. Ao contrário do que ocorre com um bit convencional,
que pode ser consultado repetidamente sem que seu conteúdo seja alterado, a
medição direta de um sistema quântico geralmente provoca o colapso do estado
que se pretendia conhecer. Em outras palavras, ao ler a informação, modifica-se
aquilo que está sendo lido.
Um novo estudo apoiado pela FAPESP propõe contornar esse problema utilizando uma propriedade
peculiar de um certo tipo de qubit, chamado “qubit de Andreev”. Essa
propriedade é uma supercorrente elétrica oscilante, produzida pela própria
dinâmica quântica do sistema. A corrente funcionaria como uma espécie de
assinatura macroscópica do estado microscópico do qubit, permitindo
reconstruí-lo de maneira praticamente não destrutiva.
O trabalho, publicado na revista Physical Review
B Letter, foi coordenado por José Carlos Egues, professor titular do Instituto de Física de São Carlos da Universidade
de São Paulo (IFSC-USP), e por Yugui Yao, da Escola de Física do Instituto de
Tecnologia de Beijing, na China. Segundo os autores, o método pode dispensar os
qubits auxiliares, ou ancilas, empregados nas principais técnicas atuais
de leitura quântica não destrutiva.
Antes de detalhar essa
dinâmica, é fundamental entender o contexto do fenômeno. Qubits são as unidades
elementares de informação dos computadores quânticos. Enquanto um bit clássico
assume necessariamente o valor 0 ou 1, um qubit pode existir em várias
superposições possíveis desses dois estados. É justamente isso que confere à
computação quântica algumas de suas características mais poderosas, mas também
torna a informação extremamente vulnerável à interação com o ambiente e ao
próprio processo de medição.
“Na formulação convencional da
mecânica quântica, uma medição projetiva faz o sistema assumir um dos estados
associados à grandeza medida. Assim, se um qubit foi preparado em determinada
superposição de 0 e 1, sua medição direta tende a destruir essa superposição e,
consequentemente, a informação que ela continha”, diz Egues.
Para contornar a dificuldade,
foram desenvolvidas as chamadas “medições quânticas não demolidoras”, ou QND (quantum
nondemolition measurements). Em muitos desses protocolos, a informação do
qubit é transferida para um sistema quântico auxiliar, a ancila. A palavra
“ancila” vem do latim ancilla e significa escrava ou serva. Em sentido
figurado, o termo é usado modernamente para indicar algo que presta serviço a
outra coisa. No caso em questão, as medidas são feitas na ancila,
preservando-se, tanto quanto possível, o qubit original.
O procedimento funciona, mas
tem seus inconvenientes, pois é preciso preparar as ancilas, acoplá-las ao
qubit, transferir a informação e realizar sucessivas medições. Em sistemas com
muitos qubits, essa infraestrutura adicional pode representar uma sobrecarga
experimental considerável.
“A nossa estratégia é
diferente: em vez de transferir a informação para um qubit auxiliar, procuramos
obtê-la a partir de um sinal produzido pelo próprio qubit em estudo”, afirma o
pesquisador.
Como já mencionado, o qubit
estudado é um “qubit de Andreev”. O nome homenageia o físico soviético
Alexander Andreev (1939-2023), que descreveu, em 1964, um processo quântico
característico da interface entre materiais normais e supercondutores. Os
chamados “estados de Andreev”, produzidos por esse processo e confinados na
região nanométrica que separa dois materiais supercondutores, podem ser
utilizados para codificar os estados básicos 0 e 1 e suas possíveis
superposições.
“No sistema considerado, essa
região é um ponto quântico – isto é, uma estrutura nanométrica na qual os
elétrons ficam espacialmente confinados – formado em um nanofio de arseneto de
índio [InAs] conectado, de ambos os lados, a materiais supercondutores. É nesse
ambiente que se formam os estados que caracterizam o qubit de Andreev”,
descreve Egues.
Uma das propriedades desse
sistema é a circulação de uma “supercorrente”. Trata-se de uma corrente
elétrica que flui sem resistência. E o estudo mostrou que, quando o qubit se
encontra em uma superposição de seus estados básicos, essa corrente apresenta
uma componente que oscila no tempo. A oscilação é produzida pela interferência
quântica entre os estados que compõem a superposição e – o que é mais
importante – carrega informações sobre o próprio estado do qubit. “É justamente
essa propriedade que utilizamos para fazer a leitura do qubit. É essa
supercorrente que está no centro de nossa proposta”, pontua o pesquisador.
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| Esquema da leitura de um qubit de Andreev sem o uso de qubits auxiliares. No dispositivo proposto, a informação quântica do qubit aparece como uma supercorrente oscilante que circula em um grande loop supercondutor. O sinal magnético gerado por essa corrente é detectado por uma pequena bobina acoplada a um SQUID, permitindo inferir o estado do qubit com perturbação mínima (imagem: Marcus Egues e José Carlos Egues, com ajuda do ChatGPT) |
Uma assinatura do estado quântico
Um estado qualquer de um qubit
pode ser representado geometricamente por um ponto na chamada “esfera de
Bloch”. Nesta, cada ponto da superfície corresponde a uma determinada
superposição dos estados básicos 0 e 1. E a posição desse ponto é definida por
dois ângulos: um indica em que proporção os estados 0 e 1 participam da
superposição; o outro, a relação de fase entre eles. Conhecer esses dois
ângulos equivale, portanto, a conhecer o estado do qubit.
“Nosso estudo mostrou que essas
informações ficam registradas na própria supercorrente. Esta tem uma parte
constante e outra que oscila. O valor da parte constante e o tamanho da
oscilação revelam quanto de cada estado 0 e 1 entra na superposição; e o momento
em que essa oscilação começa revela a relação de fase entre eles. Assim,
medindo como a corrente varia ao longo do tempo, é possível reconstruir o
estado inicial do qubit”, explica Egues.
Há, no entanto, outro aspecto
importante no fenômeno. Em sistemas supercondutores desse tipo, normalmente é
preciso aplicar uma tensão elétrica para fazer a supercorrente oscilar no
tempo, em vez de permanecer constante. É o chamado “efeito Josephson AC”. No
sistema estudado, porém, a corrente pode oscilar sem a aplicação de qualquer
tensão externa. “O nosso sistema gera uma supercorrente que varia no tempo,
como uma corrente alternada, mas sem voltagem. É a própria evolução do estado
do qubit que produz essa oscilação”, conta Egues.
A corrente constitui, assim,
uma manifestação macroscópica da dinâmica quântica microscópica do sistema. E é
justamente essa ponte entre as duas escalas que os pesquisadores exploram para
fazer a leitura do qubit.
O qubit de Andreev é
incorporado a um circuito fechado de material supercondutor, no qual circula a
supercorrente já descrita. Próximo a esse circuito, é colocado um SQUID (superconducting
quantum interference device), instrumento extremamente sensível à detecção
de campos magnéticos muito fracos.
Ao circular pelo circuito, a
supercorrente produz um campo magnético que varia com ela. O SQUID detecta
essas variações e, a partir delas, determina como a corrente está se
comportando. Como esse comportamento traz, por sua vez, informações sobre o
estado do qubit, é possível reconstruí-lo sem medir diretamente o próprio
qubit.
Egues recorre a uma analogia
simples: “Podemos pensar no qubit como sendo uma bússola e no SQUID como outra
bússola. A corrente no circuito produz um campo magnético, e o SQUID ‘sente’
esse campo. Como o acoplamento entre os dois é muito fraco, o efeito do
instrumento de medida sobre o qubit tende a ser muito pequeno”.
Essa questão é crucial, pois,
na física quântica, o instrumento de medida não é um observador passivo. Ao
interagir com o sistema, ele produz uma retroação capaz de alterar justamente
aquilo que se pretende medir. Essa influência do dispositivo de medição naquilo
que está sendo medido causou grande perplexidade entre os físicos nos primórdios
da física quântica. Mas ela é inevitável. Constitui, por assim dizer, uma
característica intrínseca da realidade material. No dispositivo proposto, a
retroação também existe. Mas as simulações realizadas no estudo indicaram que
ela pode ser reduzida a valores tão pequenos que se tornem irrelevantes.
“Nosso método não elimina o
problema fundamental da medição quântica. Mas pode aproximar-se do limite de
uma leitura não destrutiva e, ao mesmo tempo, evitar o uso de qubits auxiliares
– as ancilas – empregados em outros protocolos de medição quântica não
demolidora”, pondera Egues.
Há ainda outra vantagem. Depois
de cada medição, não é necessário preparar novamente o qubit a partir do estado
inicial. As medidas podem ser realizadas sucessivamente, enquanto o sistema
evolui, permitindo acompanhar sua dinâmica ao longo do tempo.
Dentro dos
limites da margem de erros
Os pesquisadores também
procuraram saber se a proposta continuaria funcionando diante das imperfeições
inevitáveis de um experimento real. Para isso, realizaram simulações
incorporando ruído às medidas e levando em conta a retroação provocada pela
pequena bobina captadora.
Dependendo do número de
medições considerado, as simulações produziram fidelidades de 99,52%, 99,81% e
99,85%. Os resultados ficam dentro dos limiares usuais adotados em esquemas de
correção quântica de erros.
O estudo é inteiramente
teórico. Mas, segundo Egues, isso não significa que o dispositivo dependa de
componentes ainda inexistentes ou de avanços tecnológicos futuros para ser construído.
“Todos os números que colocamos são realistas. Em princípio, isso pode ser
realizado. Inclusive, usamos nos cálculos parâmetros de sistemas que já
existem. O que ainda não existe é essa geometria, esse setup que
propusemos”, argumenta.
Segundo ele, isso diferencia o
trabalho de outras propostas teóricas cuja realização depende de avanços na
fabricação de materiais ou de dispositivos. A detecção de correntes e campos
magnéticos extremamente pequenos por SQUIDs, por exemplo, é uma tecnologia já
estabelecida.
A proposta reúne, assim, dois
resultados. O primeiro é de física fundamental: a previsão de uma supercorrente
oscilante, semelhante à do efeito Josephson AC, mas gerada sem tensão externa
pela própria evolução coerente do qubit. O segundo é tecnológico: utilizar as
características dessa corrente como uma assinatura que permita reconstruir o
estado do qubit com perturbação mínima.
Se a previsão for confirmada
experimentalmente, o método poderá oferecer uma arquitetura mais simples para a
leitura de qubits de Andreev, dispensando ancilas e sucessivas
reinicializações. E poderá explorar uma característica especialmente sugestiva
desses sistemas: a possibilidade de acessar informação quântica microscópica
por meio de uma corrente elétrica macroscópica que o próprio qubit produz.
O artigo Andreev qubit
readout from dynamic interference supercurrent pode ser acessado em: journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/6gkt-hghj.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/supercorrente-permite-ler-informacao-quantica-sem-destrui-la/59275
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