Troca quântica robusta com 99,91% de fidelidade em 17.000 pares de átomos de potássio na ETH Zurich

Pesquisadores relatam que mais de 17.000 pares de átomos conseguem executar uma troca quântica com 99,91% de precisão dentro de um único sistema.

O resultado aponta um caminho para computadores quânticos capazes de continuar a operar mesmo quando o ruído do mundo real e pequenos erros vão se acumulando.

Grade atómica em ação

No experimento, os cientistas organizaram átomos de potássio numa grade de luz, posicionando pares em sítios vizinhos antes de iniciar a troca.

Ao forçar a sobreposição desses pares, Yann Kiefer, da ETH Zurich, mostrou que a troca decorreu da geometria comum do movimento - e não de uma temporização finamente calibrada.

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

Essa separação manteve a diferença de fase bem definida, mas também levantou uma questão mais profunda: por que um desvio por um estado partilhado, normalmente problemático, tornou-se a origem da proteção da porta.

Por que os dúblons ajudam

O truque do grupo baseou-se num dúblon: dois qubits ocupando brevemente o mesmo sítio, algo que esquemas anteriores de portas costumavam tratar como fuga.

Aqui, essa paragem partilhada ampliou o conjunto de estados disponíveis do sistema, permitindo que o par descrevesse um ciclo controlado em vez de uma colisão frágil.

Como os átomos eram de um tipo que não pode partilhar exatamente o mesmo estado quântico, apenas determinadas combinações conseguiam misturar-se durante o ciclo.

Ao incorporar essa paragem antes indesejada como parte do percurso, o desafio de engenharia deixou de ser a afinação minuciosa e passou a ser manter-se na rota.

O que a geometria protege

A proteção veio de uma fase geométrica - uma mudança de estado definida pelo caminho percorrido, e não pelos detalhes do movimento ao longo dele.

Durante a varredura, o estado ativo manteve energia ordinária igual a zero, o que reduziu bastante a chance de erros de temporização alterarem o resultado.

Duas simetrias nas equações que governam o sistema mantiveram esse percurso preso ao mesmo ciclo, mesmo quando os parâmetros de controlo variavam.

Apenas impulsos mais rápidos e mais fortes conseguiriam tirar os átomos do trajeto pretendido, razão pela qual os testes de ruído foram tão importantes.

O teste em todo o sistema

Para avaliar a ideia em escala, a equipa alinhou dezenas de milhares de átomos e formou mais de 17.000 pares operacionais.

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

O resultado foi verificado ao acompanhar um sinal simples de ida e volta entre dois estados, que indicava se a troca tinha sido bem-sucedida.

Em toda a matriz, a fidelidade corrigida atingiu 99,91%, enquanto o desempenho bruto ficou em 99,5% antes das correções de sobrevivência.

O ruído encontra limites

A robustez ficou 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 num platô amplo até que o ruído adicional de tunelamento alcançou cerca de 5%, uma margem incomumente tolerante.

Quando o ruído passou a incluir componentes mais rápidas, ele conseguiu expulsar os átomos da rota protegida e atravessar o intervalo de energia próximo.

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

Para além de trocas simples

Ao adicionar interações, o mesmo arranjo fez mais do que trocar posições; ele também gerou uma porta de entrelaçamento, que liga dois qubits.

Nesse modo, o trajeto com sítio partilhado acrescentou uma fase controlável vinda das interações átomo–átomo, permitindo que a porta parasse a meio caminho, em vez de concluir a troca completa.

As fidelidades corrigidas ficaram perto de 99% para duas versões de meia-troca, superando a rota indireta de troca por permuta que a equipa usou como comparação.

Essa vantagem surgiu porque, agora, a fase principal dependia sobretudo da força de interação, e não de um efeito de tunelamento ao quadrado.

Por que o encaminhamento importa

Portas de troca são importantes porque processadores densos precisam de reencaminhamento constante, movendo informação entre vizinhos sem abrir grandes espaços entre qubits.

Átomos neutros ajudam nesse cenário porque não têm carga e podem ser acomodados numa rede óptica, uma grade de armadilhas atómicas formada por luz.

“Há alguns anos, os pesquisadores conseguiram realizar tais portas usando átomos neutros no seu estado de menor energia, embora explorando fases dinâmicas devido a tunelamento e colisões”, disse Kiefer.

A ideia dele foi direta: as portas de troca anteriores funcionavam, mas dependiam de uma fase dinâmica - uma fase quântica baseada em temporização - proveniente do movimento e das colisões.

Um caminho para escalar

Escalar também exige deslocar qubits sem os embaralhar, e este grupo já demonstrou transporte coerente a longas distâncias.

Nesse trabalho anterior, átomos emparelhados foram transportados por 50 posições na grade, com 99,57% de precisão em cada passo.

Combinado com a nova porta, esse movimento pode aproximar pares distantes, permitir que interajam e depois separá-los outra vez.

Um arranjo assim poderia criar ligações longas dentro de matrizes compactas sem reservar corredores vazios largos para vaivéns constantes.

O que ainda limita

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

A preparação atual também deixa apenas 60–70% dos átomos nos estados emparelhados desejados, o que é suficiente para testes, mas não para programas completos.

Maior estabilidade do campo magnético, controlo mais estável da armadilha baseada em luz e átomos menos sensíveis à deriva do campo poderiam reduzir ainda mais o erro.

Tão importante quanto isso, um microscópio de gás quântico - uma ferramenta para ver e controlar átomos individuais - permitiria aos engenheiros selecionar pares específicos.

O que vem a seguir

Este experimento sustenta que portas quânticas melhores nem sempre surgem de um controlo mais rígido; por vezes, elas aparecem ao tirar partido da simetria.

Se uma preparação mais limpa e uma leitura direcionada vierem a seguir, processadores de átomos neutros poderão tornar-se ao mesmo tempo mais densos e muito mais difíceis de tirar do rumo.