Troca quântica com 99.91% em 17,000 pares de átomos

Investigadores descrevem uma demonstração em que mais de 17,000 pares de átomos conseguem efectuar uma troca quântica com 99.91% de exactidão dentro de um único sistema.

O resultado aponta para um caminho em direcção a computadores quânticos capazes de continuar a funcionar mesmo quando o ruído do mundo real e pequenos erros se acumulam.

Grelha atómica de potássio em acção

No ensaio, a equipa organizou átomos de potássio numa rede de luz, colocando os pares em sítios vizinhos antes de iniciar a troca.

Ao fazer com que esses pares entrassem em sobreposição, Yann Kiefer, da ETH Zurique, mostrou que a troca emergia sobretudo da geometria partilhada do movimento, e não de uma temporização extraordinariamente afinada.

Apenas uma configuração de spin percorreu esse trajecto protegido, enquanto três configurações muito próximas permaneceram imóveis e funcionaram como pontos de referência estáveis.

Essa separação manteve limpa a diferença de fase; ao mesmo tempo, colocou uma questão mais fundamental: porque é que um desvio por um estado partilhado - normalmente problemático - passou, aqui, a ser a origem da protecção da porta.

Porque é que os dóblons ajudam

O método baseou-se num dóblon: dois bits quânticos a ocuparem, por instantes, o mesmo sítio, algo que esquemas anteriores de portas costumavam tratar como fuga do espaço computacional.

Neste caso, essa paragem comum aumentou o conjunto de estados disponíveis do sistema, permitindo que o par descrevesse um laço controlado em vez de depender de uma colisão frágil.

Como os átomos pertencem a uma classe que não pode partilhar exactamente o mesmo estado quântico, apenas certas combinações conseguiram misturar-se ao longo desse laço.

Ao integrar a paragem outrora indesejada na própria rota, o desafio de engenharia deixou de ser “afinar ao milímetro” e passou a ser “manter-se no percurso”.

O que a geometria protege

A protecção veio de uma fase geométrica: uma alteração de estado determinada pelo caminho percorrido, e não pelos detalhes do movimento ao longo desse caminho.

Durante a varredura, o estado activo manteve energia ordinária nula, pelo que erros de temporização tiveram muito menos oportunidade de influenciar o desfecho.

Duas simetrias nas equações que regem a dinâmica mantiveram essa rota presa ao mesmo laço mesmo quando os parâmetros de controlo variavam.

Só impulsos mais rápidos e mais fortes conseguiriam desviar os átomos do trajecto pretendido - daí a importância dos testes de ruído.

O teste à escala do sistema

Para verificar se a ideia se mantinha em grande escala, o grupo dispôs dezenas de milhares de átomos e formou mais de 17,000 pares funcionais.

Cada operação terminou em menos de um milésimo de segundo, à medida que os átomos se aproximavam e, de seguida, se separavam novamente.

A validação foi feita ao acompanhar um sinal simples de vai-e-vem entre dois estados, que revelava se a troca tinha sido bem-sucedida.

Em toda a grelha, a fidelidade corrigida chegou a 99.91%, enquanto o desempenho bruto ficou em 99.5% antes de ajustes associados à sobrevivência.

O ruído encontra limites

A robustez tornou-se mais evidente quando a equipa introduziu deliberadamente ruído nos controlos da rede, com ruído branco distribuído por uma largura de banda de 2 quilohertz.

A fidelidade da porta manteve-se numa plataforma ampla até o ruído adicional de tunelamento atingir cerca de 5%, uma margem invulgarmente permissiva.

Quando o ruído passou a incluir componentes mais rápidas, conseguiu expulsar os átomos da rota protegida e empurrá-los através do intervalo de energia adjacente.

Essa janela é relevante porque processadores reais nunca permanecem perfeitamente estáveis, e esta porta tolerou o tipo de perturbações com que os engenheiros lidam.

Para lá de trocas simples

Ao acrescentar interacções, a mesma plataforma passou a fazer mais do que trocar posições: também implementou uma porta de entrelaçamento, que liga dois bits quânticos.

Nesse regime, o percurso via sítio partilhado acrescentou uma fase controlável proveniente das interacções átomo-átomo, permitindo que a porta parasse a meio em vez de completar a troca.

As fidelidades corrigidas mantiveram-se perto de 99% em duas versões de meia-troca, superando a rota indirecta de troca por permuta que a equipa usou como comparação.

A vantagem surgiu porque a fase decisiva passou a depender sobretudo da força de interacção, e não de um efeito de tunelamento ao quadrado.

Porque é que o encaminhamento importa

Portas de troca são importantes porque processadores densos exigem reencaminhamento constante: é preciso mover informação entre vizinhos sem abrir grandes intervalos entre bits quânticos.

Átomos neutros ajudam nesse cenário porque não transportam carga e encaixam numa rede óptica, uma grelha de armadilhas atómicas criada por luz.

“Há alguns anos, os investigadores conseguiram concretizar portas deste tipo usando átomos neutros no seu estado de menor energia, embora explorando fases dinâmicas devidas ao tunelamento e a colisões”, afirmou Kiefer.

A ideia era directa: as portas de troca anteriores funcionavam, mas apoiavam-se numa fase dinâmica - uma fase quântica dependente do tempo - gerada pelo movimento e por colisões.

Um caminho para escalar

A escalabilidade também depende de deslocar bits quânticos sem os baralhar; e este grupo já tinha demonstrado transporte coerente a longas distâncias.

Nesse trabalho anterior, pares de átomos foram deslocados ao longo de 50 posições na grelha com 99.57% de exactidão em cada passo.

Em conjunto com a nova porta, este movimento pode aproximar pares distantes, permitir que interajam e depois voltar a separá-los.

Uma arquitectura assim pode criar ligações longas dentro de matrizes densas sem reservar corredores largos e vazios para um transporte contínuo.

O que ainda limita

Ainda assim, os erros remanescentes vieram sobretudo de ruído técnico, em particular de deriva na força de interacção e de pequenas variações na potência do laser.

A preparação actual também deixa apenas 60–70% dos átomos nos estados emparelhados pretendidos, o que chega para testes, mas não para programas completos.

Mais estabilidade do campo magnético, controlo mais estável da armadilha baseada em luz e átomos menos sensíveis a deriva de campo poderão reduzir ainda mais o erro.

Igualmente importante, um microscópio de gás quântico - uma ferramenta para ver e controlar átomos individuais - permitiria aos engenheiros seleccionar pares específicos.

O que vem a seguir para a porta de troca em átomos neutros

Este ensaio sustenta que portas quânticas melhores nem sempre nascem de controlo mais apertado; por vezes, resultam de tirar partido da simetria.

Se surgirem uma preparação mais limpa e uma leitura direccionada, processadores de átomos neutros poderão tornar-se simultaneamente mais densos e muito mais difíceis de desviar do seu percurso.