A meticulosidade alemã desempenhou um papel decisivo na descoberta de uma série de problemas com a estabilidade dos qubits supercondutores. Para fazer isso, tivemos que reexaminar os dados de centenas de artigos e estudos científicos. Como resultado do trabalho realizado, foi publicado na revista Nature Physics um artigo de 30 autores que explica como a probabilidade de erros na computação quântica pode ser reduzida em pelo menos uma ordem de grandeza.
Estrutura criogênica típica de um computador quântico. Fonte da imagem: Qinu GmbH
Tudo começou em 2019, quando dois estudantes de pós-graduação do Centro de Pesquisa Jülich (Forschungszentrum Jülich) e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, Dennis Willsch e Dennis Rieger, se envolveram em dados de medições dos estados de qubits supercondutores usando junções de túnel Josephson. Este modelo rendeu a Brian Josephson o Prêmio Nobel de Física em 1973. É bem representado matematicamente e tem sido amplamente utilizado para trabalhar com qubits supercondutores baseados em transições há cerca de 15 anos. Os dados de medição estavam fora do escopo do modelo e isso obrigou os cientistas a procurar a raiz dos problemas.
Sob a orientação do professor, os pesquisadores coletaram dados de estudos semelhantes feitos por cientistas da École Normale Supérieure de Paris, trabalho com um computador quântico de 27 qubit da IBM, entre outros. Como se viu mais tarde, desvios semelhantes nos dados experimentais e teóricos também foram descobertos por investigadores da Universidade de Colónia. Ambos os grupos uniram forças e recrutaram mais cientistas, reanalisando centenas de artigos sobre o tema. O resultado foi surpreendente. Descobriu-se que no modelo padrão a descrição da operação das junções Josephson não leva em consideração uma série de fatores importantes, o que leva a erros de cálculo.
Influência dos harmônicos nas medições. Fonte da imagem: Dennis Rieger/Patrick Winkel, KIT
O modelo padrão assume que as oscilações agregadas (modo) no sistema de junção Josephson têm a forma de uma senóide ideal. Na prática, atingimos um tal grau de precisão de medição que podemos notar desvios da curva ideal. Tudo isso se deve aos harmônicos, os mais fortes dos quais, ao que parece, afetam os resultados da medição. Anteriormente eles não eram levados em consideração de forma alguma. Uma equipe de 30 autores coletou tantas “evidências comprometedoras” sobre gaitas que não é mais possível ignorá-las. E isso é bom. Fórmulas refinadas para calcular os estados de qubits supercondutores podem fazer com que os bits quânticos se tornem 2 a 7 vezes mais estáveis, o que reduzirá pelo menos a probabilidade de erros em uma ordem de magnitude.
«Como consequência imediata, acreditamos que a harmônica Josephson ajudará no desenvolvimento de bits quânticos melhores e mais confiáveis, reduzindo os erros em uma ordem de grandeza, aproximando-nos um passo do sonho de um computador quântico supercondutor totalmente universal”, disse o concluem os autores do artigo.