O que os blocos de construção infantis e a computação quântica têm em comum? A resposta é modularidade. É difícil para os cientistas construir computadores quânticos de forma monolítica – ou seja, como uma única unidade grande. A computação quântica depende da manipulação de milhões de unidades de informação chamadas qubits, mas esses qubits são difíceis de montar. A solução? Encontrar maneiras modulares de construir computadores quânticos. Assim como os blocos de plástico que se encaixam para criar estruturas maiores e mais intrincadas, os cientistas podem construir módulos menores e de maior qualidade e conectá-los para formar um sistema abrangente.
Reconhecendo o potencial desses sistemas modulares, pesquisadores da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign apresentaram uma abordagem aprimorada para a computação quântica escalável, demonstrando uma arquitetura modular viável e de alto desempenho para processadores quânticos supercondutores. Seu trabalho, publicado na Nature Electronics, expande os designs modulares anteriores e pavimenta o caminho para sistemas de computação quântica escaláveis, tolerantes a falhas e reconfiguráveis.
Sistemas quânticos supercondutores monolíticos são limitados em tamanho e fidelidade, o que prevê a taxa de sucesso dos cientistas na realização de operações lógicas. Uma fidelidade de um significa que não há erros; assim, os pesquisadores buscam alcançar uma fidelidade o mais próxima possível de um. Comparados a esses sistemas monolíticos limitados, a modularidade permite escalabilidade do sistema, atualizações de hardware e tolerância a variáveis, tornando-se uma opção mais atraente para a construção de redes de sistema.
“Criamos uma maneira amigável para a engenharia de alcançar a modularidade com qubits supercondutores,” disse Wolfgang Pfaff, professor assistente de física e autor sênior do artigo. “Posso construir um sistema que eu possa reunir, permitindo-me manipular dois qubits em conjunto para criar emaranhamento ou operações de porta entre eles? Podemos fazer isso com qualidade muito alta? E podemos também ter a capacidade de desmontá-lo e montá-lo novamente? Normalmente, só descobrimos que algo deu errado depois de montá-lo. Portanto, gostaríamos realmente de ter a capacidade de reconfigurar o sistema posteriormente.”
Ao construir um sistema onde dois dispositivos estão conectados com cabos coaxiais supercondutores para interligar qubits entre os módulos, a equipe de Pfaff demonstrou uma fidelidade de porta SWAP de aproximadamente 99%, representando menos de 1% de perda. A capacidade de conectar e reconfigurar dispositivos separados com um cabo enquanto mantém alta qualidade fornece novas percepções para o campo no design de protocolos de comunicação.
“Encontrar uma abordagem que funcione levou tempo para nosso campo,” disse Pfaff. “Muitos grupos descobriram que o que realmente queremos é essa habilidade de unir coisas maiores por meio de cabos, e ao mesmo tempo atingir números bons o suficiente para justificar a escalabilidade. O problema era apenas encontrar a combinação certa de ferramentas.”
Avançando, os engenheiros da Grainger concentrarão seu foco na escalabilidade, tentando conectar mais de dois dispositivos juntos, mantendo a capacidade de verificar erros.
“Temos um bom desempenho,” disse Pfaff. “Agora precisamos colocá-lo à prova e dizer, está realmente avançando? Faz sentido?”
