Qubits de silício mantêm 99,99% de precisão com três em simultâneo

Num chip de silício, cinco spins de eletrão são orientados por uma única linha de micro-ondas, e cada um tem de ser levado ao estado correto sem perturbar os vizinhos. É este o problema que o Centro para a Ciência da Matéria Emergente do RIKEN se propôs resolver, e num estudo publicado na Nature Physics, a equipa afirma que três qubits podem funcionar ao mesmo tempo mantendo a fidelidade das portas acima de 99,99%. A experiência usou um conjunto de cinco qubits de silício controlado através de uma única linha de micro-ondas partilhada.

Um qubit é o equivalente quântico de um bit: pode assumir uma combinação de 0 e 1. Nos qubits de spin de silício, essa informação é armazenada no spin de um eletrão preso no silício e é alterada por impulsos de micro-ondas. O silício tem uma vantagem prática, já que a abordagem é compatível com a fabricação de semicondutores já usada nos chips de computador. A sua fraqueza conhecida é que, quando vários qubits são acionados em simultâneo, a precisão costuma cair, e um computador quântico incapaz de operar muitos qubits em conjunto continua a ser uma máquina pequena.

A equipa começou por identificar a principal causa dessa queda: o deslocamento de Stark AC, um efeito induzido pelos sinais de controlo de micro-ondas. Este altera os níveis de energia efetivos de um qubit e desloca a fase do seu estado quântico. O protocolo de mitigação que desenvolveram baseia-se em calibrações entre pares de qubits para compensar esses desvios de fase. Yi-Hsien Wu, primeiro autor, explicou que o método evita uma calibração separada para cada combinação possível de qubits. Os qubits individuais, operados um de cada vez, atingiram fidelidades bem acima de 99,99% em cada um dos cinco qubits, com a melhor a aproximar-se de 99,999%. A fidelidade mede a precisão com que uma operação quântica é executada.

Com o protocolo, as fidelidades mantiveram-se acima de 99,99% quando até três qubits funcionavam em simultâneo. Com os cinco a funcionar em conjunto, mantiveram-se em cerca de 99,9%, nível que os autores descrevem como próximo dos requisitos práticos da computação quântica tolerante a falhas. A perda residual deve-se à decoerência induzida pelo acionamento, uma perda de coerência quântica causada pela maior potência de micro-ondas que o funcionamento simultâneo exige. Ao contrário dos desvios de fase tratados pelo novo protocolo, este efeito não é corrigido por calibração, e Camenzind disse que melhorias adicionais no design do dispositivo poderiam ajudar.

Por agora, o resultado fica no laboratório. Mostra que linhas de controlo partilhadas podem ser usadas sem sacrificar a precisão, o que interessa a quem queira ligar dezenas ou centenas de qubits sem uma linha dedicada para cada um. O objetivo de longo prazo declarado pela equipa é um computador quântico tolerante a falhas construído com qubits de spin de silício, e Seigo Tarucha, que gere um projeto de computação quântica em silício no âmbito do Objetivo 6 do programa Moonshot da JST, qualifica o controlo paralelo fiável de «um passo essencial» nessa direção. Nem a RIKEN nem a equipa avançam uma data para um processador maior, e o estudo não descreve nenhum.