A pesquisa atual via computador quântico seria impossível sem equipamentos de teste e medição de RF de alta precisão

Max Werninghaus, Walther-Meißner-Institute

Para resolver problemas complexos, os computadores quânticos exploram características quânticas naturais. Assim como ocorre com os bits convencionais, os estados lógicos são representados e processados através da utilização de bits quânticos (qubit). Enquanto um bit convencional é binário, um qubit pode existir simultaneamente em combinações de dois estados.

Esse fenômeno é conhecido como superposição e não pode ser explicado através das leis da física clássica. A superposição é uma propriedade mecânica totalmente quântica e é a base para o enorme potencial computacional dos computadores quânticos.

qubits supercondutores

Atualmente a pesquisa se concentra na implementação técnica de qubits. Uma área promissora é a dos qubits supercondutores que usam circuitos elétricos para armazenar campos eletromagnéticos com uma meia-vida muito longa graças à sua supercondutividade sem perdas. Um circuito ressonante é projetado para produzir efetivamente um sistema de dois estados controlável. A frequência de ressonância para esse tipo de circuito geralmente está na faixa de micro-ondas de 5 GHz. O estado base do circuito ressonante é o estado lógico zero, enquanto o primeiro estado excitado é o estado lógico um.

O controle sistemático desses dois estados ainda não é possível sem estruturas adicionais. Em osciladores harmônicos, como circuitos ressonantes LC, o espaçamento entre dois estados de energia adjacentes é sempre igual (harmonicidade). Um efeito colateral é o deslocamento descontrolado de um sinal de micro-ondas ressonante em um circuito do estado base para o primeiro estado excitado ou de um estado excitado arbitrário para o estado seguinte mais alto. As indutâncias não lineares podem cancelar a harmonicidade. As junções Josephson ajudam a criar dois estados de energia distintos, que podem ser usados como um qubit controlável. Eles dão à transição do estado base para o primeiro estado excitado uma frequência característica que é única para essa transição. Como a propriedade imita as transições de elétrons atômicos, os qubits supercondutores também são conhecidos como átomos artificiais.

Um estado quântico é extremamente frágil. A temperatura operacional para um qubit supercondutor é em torno de 10 milikelvin ou de cerca de - 273 °C, o que é muito próximo do zero absoluto. Essa é a única maneira de manter o ruído térmico de fundo

Controlando estados quânticos com sinais de micro-ondas

O estado de energia de um qubit pode ser controlado com sinais externos de micro-ondas. Uma esfera de Bloch ilustra esse processo (Figura, à direita). Os estados lógicos um e zero estão localizados nos polos norte e sul da esfera de Bloch. Todos os outros pontos na superfície da esfera correspondem a um estado de superposição. O estado atual é indicado pelo chamado vetor de estado. A interação com um sinal de micro-ondas ressonante causa a rotação do vetor de estado na esfera de Bloch.

Para realizar operações de computação confiáveis com qubits, essa rotação precisa ser controlada com grande precisão com base no comprimento do pulso, na amplitude do sinal de micro-ondas e no envelope do pulso de controle. A chamada fase relativa do pulso de controle influencia o eixo de rotação do estado qubit na esfera de Bloch. Quando pulsos com a mesma fase são aplicados ao qubit, o estado sempre gira como, por exemplo, o eixo x. Se um pulso for deslocado de fase em 90°, o vetor de estado irá girar no eixo y.

Requisitos da fonte de sinal

Os geradores de formas de onda arbitrárias são fontes de sinais de controle confiáveis e flexíveis. Com fontes de micro-ondas e mixers, os pulsos certos podem ser gerados na frequência de qubit correta. Ao regular com precisão a fase do pulso de controle em tempo real e o controle exato dos envelopes, qualquer ponto de destino desejado em uma esfera de Bloch pode ser alcançado a qualquer momento a partir de qualquer ponto de partida.

Diferentemente das operações de computação convencionais com alta tolerância a erros, os computadores quânticos dependem da calibração precisa dos pulsos de controle. Mesmo pequenos desvios na rotação (acima da rotação do estado quântico em 1%) podem alterar a operação quântica resultante. Ocorrem erros semelhantes com controle de fase impreciso. Sendo assim, os instrumentos de controle para computadores quânticos devem ter alta estabilidade de fase e amplitude. As fases do pulso de controle são reguladas pelos componentes em fase e em quadratura do pulso armazenados no gerador de formas de onda arbitrárias.

Algoritmos quânticos e experimentos de computadores quânticos são complexos. Ambos exigem a saída de um grande número de pulsos de sinal em vários canais com estabilidade de fase relevante e sincronização de tempo. Isso geralmente leva a longos tempos de espera durante a inicialização do hardware de controle convencional e pode limitar a complexidade dos experimentos planejados. Vários fabricantes de geradores de micro-ondas começaram recentemente a desenvolver instrumentos especiais em conjunto com cientistas da computação quântica.

Esses instrumentos podem fazer muito mais do que os geradores convencionais de formas de onda arbitrárias e podem cumprir alguns dos requisitos especiais de pesquisa nesse setor. As fases de pulso podem ser gerenciadas diretamente no instrumento com matrizes de portas programáveis no campo (FPGA), o que reduz drasticamente o espaço de armazenamento necessário. E mesmo algoritmos quânticos complexos, que envolvem milhares de operações, podem ser reduzidos a um conjunto gerenciável de operações fundamentais. Não há necessidade de armazenar um sinal contínuo no gerador de formas de onda arbitrárias para cada algoritmo quântico. Um conjunto de operações fundamentais com informações sobre a sequência de saída são suficientes. Geradores especializados de formas de onda arbitrárias para pesquisa em computação quântica já são compatíveis com tais funções.

Análise de sinal para selecionar estados quânticos

Depois de um computador quântico executar uma operação, os estados quânticos dos qubits são selecionados e os qubits são acoplados a ressonadores de leitura. Devido à interação com o qubit, a frequência de ressonância do ressonador é alterada consoante o estado do qubit (figura). Ao estimulá-lo com um sinal de leitura próximo à frequência de ressonância, torna-se possível deduzir o estado do qubit com base na alteração na amplitude e na fase do sinal em transmissão ou reflexão.

Os avanços atuais da tecnologia quântica possibilitam a operação efetiva da eletrônica de controle relevante e do hardware quântico. Ao integrar diretamente as funções de análise de sinal nos instrumentos, os resultados do algoritmo quântico podem ser observados em tempo real. Os geradores inteligentes de formas de onda arbitrárias simplificam o trabalho com computadores quânticos da mesma forma que os montadores são usados há muito tempo na programação de computadores e máquinas. Um dos principais desafios aqui é sincronizar e coordenar as centenas de sinais necessários para operar computadores quânticos maiores.