Esquema da leitura de um qubit de Andreev sem o uso de qubits auxiliares (Imagem: Marcus Egues e José Carlos Egues, com ajuda do ChaGPT)
Uma das dificuldades fundamentais da computação quântica está no próprio ato de obter informação de um bit quântico, o qubit. Ao contrário do que ocorre com um bit convencional, que pode ser consultado repetidamente sem que seu conteúdo seja alterado, a medição direta de um sistema quântico geralmente provoca o colapso do estado que se pretendia conhecer. Em outras palavras, ao ler a informação, modifica-se aquilo que está sendo lido.
Um novo estudo apoiado pela FAPESP propõe contornar esse problema utilizando uma propriedade peculiar de um certo tipo de qubit, chamado “qubit de Andreev”. Essa propriedade é uma supercorrente elétrica oscilante, produzida pela própria dinâmica quântica do sistema. A corrente funcionaria como uma espécie de assinatura macroscópica do estado microscópico do qubit, permitindo reconstruí-lo de maneira praticamente não destrutiva.
O trabalho, publicado na revista Physical Review B Letter, foi coordenado por José Carlos Egues, professor titular do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), e por Yugui Yao, da Escola de Física do Instituto de Tecnologia de Beijing, na China. Segundo os autores, o método pode dispensar os qubits auxiliares, ou ancilas, empregados nas principais técnicas atuais de leitura quântica não destrutiva.
Antes de detalhar essa dinâmica, é fundamental entender o contexto do fenômeno. Qubits são as unidades elementares de informação dos computadores quânticos. Enquanto um bit clássico assume necessariamente o valor 0 ou 1, um qubit pode existir em várias superposições possíveis desses dois estados. É justamente isso que confere à computação quântica algumas de suas características mais poderosas, mas também torna a informação extremamente vulnerável à interação com o ambiente e ao próprio processo de medição.
“Na formulação convencional da mecânica quântica, uma medição projetiva faz o sistema assumir um dos estados associados à grandeza medida. Assim, se um qubit foi preparado em determinada superposição de 0 e 1, sua medição direta tende a destruir essa superposição e, consequentemente, a informação que ela continha”, diz Egues.
Para contornar a dificuldade, foram desenvolvidas as chamadas “medições quânticas não demolidoras”, ou QND (quantum nondemolition measurements). Em muitos desses protocolos, a informação do qubit é transferida para um sistema quântico auxiliar, a ancila. A palavra “ancila” vem do latim ancilla e significa escrava ou serva. Em sentido figurado, o termo é usado modernamente para indicar algo que presta serviço a outra coisa. No caso em questão, as medidas são feitas na ancila, preservando-se, tanto quanto possível, o qubit original.
O procedimento funciona, mas tem seus inconvenientes, pois é preciso preparar as ancilas, acoplá-las ao qubit, transferir a informação e realizar sucessivas medições. Em sistemas com muitos qubits, essa infraestrutura adicional pode representar uma sobrecarga experimental considerável.
“A nossa estratégia é diferente: em vez de transferir a informação para um qubit auxiliar, procuramos obtê-la a partir de um sinal produzido pelo próprio qubit em estudo”, afirma o pesquisador.
Como já mencionado, o qubit estudado é um “qubit de Andreev”. O nome homenageia o físico soviético Alexander Andreev (1939-2023), que descreveu, em 1964, um processo quântico característico da interface entre materiais normais e supercondutores. Os chamados “estados de Andreev”, produzidos por esse processo e confinados na região nanométrica que separa dois materiais supercondutores, podem ser utilizados para codificar os estados básicos 0 e 1 e suas possíveis superposições.
“No sistema considerado, essa região é um ponto quântico – isto é, uma estrutura nanométrica na qual os elétrons ficam espacialmente confinados – formado em um nanofio de arseneto de índio [InAs] conectado, de ambos os lados, a materiais supercondutores. É nesse ambiente que se formam os estados que caracterizam o qubit de Andreev”, descreve Egues.
Uma das propriedades desse sistema é a circulação de uma “supercorrente”. Trata-se de uma corrente elétrica que flui sem resistência. E o estudo mostrou que, quando o qubit se encontra em uma superposição de seus estados básicos, essa corrente apresenta uma componente que oscila no tempo. A oscilação é produzida pela interferência quântica entre os estados que compõem a superposição e – o que é mais importante – carrega informações sobre o próprio estado do qubit. “É justamente essa propriedade que utilizamos para fazer a leitura do qubit. É essa supercorrente que está no centro de nossa proposta”, pontua o pesquisador.
Esquema da leitura de um qubit de Andreev sem o uso de qubits auxiliares. No dispositivo proposto, a informação quântica do qubit aparece como uma supercorrente oscilante que circula em um grande loop supercondutor. O sinal magnético gerado por essa corrente é detectado por uma pequena bobina acoplada a um SQUID, permitindo inferir o estado do qubit com perturbação mínima (imagem: Marcus Egues e José Carlos Egues, com ajuda do ChaGPT)
Uma assinatura do estado quântico
Um estado qualquer de um qubit pode ser representado geometricamente por um ponto na chamada “esfera de Bloch”. Nesta, cada ponto da superfície corresponde a uma determinada superposição dos estados básicos 0 e 1. E a posição desse ponto é definida por dois ângulos: um indica em que proporção os estados 0 e 1 participam da superposição; o outro, a relação de fase entre eles. Conhecer esses dois ângulos equivale, portanto, a conhecer o estado do qubit.
“Nosso estudo mostrou que essas informações ficam registradas na própria supercorrente. Esta tem uma parte constante e outra que oscila. O valor da parte constante e o tamanho da oscilação revelam quanto de cada estado 0 e 1 entra na superposição; e o momento em que essa oscilação começa revela a relação de fase entre eles. Assim, medindo como a corrente varia ao longo do tempo, é possível reconstruir o estado inicial do qubit”, explica Egues.
Há, no entanto, outro aspecto importante no fenômeno. Em sistemas supercondutores desse tipo, normalmente é preciso aplicar uma tensão elétrica para fazer a supercorrente oscilar no tempo, em vez de permanecer constante. É o chamado “efeito Josephson AC”. No sistema estudado, porém, a corrente pode oscilar sem a aplicação de qualquer tensão externa. “O nosso sistema gera uma supercorrente que varia no tempo, como uma corrente alternada, mas sem voltagem. É a própria evolução do estado do qubit que produz essa oscilação”, conta Egues.
A corrente constitui, assim, uma manifestação macroscópica da dinâmica quântica microscópica do sistema. E é justamente essa ponte entre as duas escalas que os pesquisadores exploram para fazer a leitura do qubit.
O qubit de Andreev é incorporado a um circuito fechado de material supercondutor, no qual circula a supercorrente já descrita. Próximo a esse circuito, é colocado um SQUID (superconducting quantum interference device), instrumento extremamente sensível à detecção de campos magnéticos muito fracos.
Ao circular pelo circuito, a supercorrente produz um campo magnético que varia com ela. O SQUID detecta essas variações e, a partir delas, determina como a corrente está se comportando. Como esse comportamento traz, por sua vez, informações sobre o estado do qubit, é possível reconstruí-lo sem medir diretamente o próprio qubit.
Egues recorre a uma analogia simples: “Podemos pensar no qubit como sendo uma bússola e no SQUID como outra bússola. A corrente no circuito produz um campo magnético, e o SQUID ‘sente’ esse campo. Como o acoplamento entre os dois é muito fraco, o efeito do instrumento de medida sobre o qubit tende a ser muito pequeno”.
Essa questão é crucial, pois, na física quântica, o instrumento de medida não é um observador passivo. Ao interagir com o sistema, ele produz uma retroação capaz de alterar justamente aquilo que se pretende medir. Essa influência do dispositivo de medição naquilo que está sendo medido causou grande perplexidade entre os físicos nos primórdios da física quântica. Mas ela é inevitável. Constitui, por assim dizer, uma característica intrínseca da realidade material. No dispositivo proposto, a retroação também existe. Mas as simulações realizadas no estudo indicaram que ela pode ser reduzida a valores tão pequenos que se tornem irrelevantes.
“Nosso método não elimina o problema fundamental da medição quântica. Mas pode aproximar-se do limite de uma leitura não destrutiva e, ao mesmo tempo, evitar o uso de qubits auxiliares – as ancilas – empregados em outros protocolos de medição quântica não demolidora”, pondera Egues.
Há ainda outra vantagem. Depois de cada medição, não é necessário preparar novamente o qubit a partir do estado inicial. As medidas podem ser realizadas sucessivamente, enquanto o sistema evolui, permitindo acompanhar sua dinâmica ao longo do tempo.
Dentro dos limites da margem de erros
Os pesquisadores também procuraram saber se a proposta continuaria funcionando diante das imperfeições inevitáveis de um experimento real. Para isso, realizaram simulações incorporando ruído às medidas e levando em conta a retroação provocada pela pequena bobina captadora.
Dependendo do número de medições considerado, as simulações produziram fidelidades de 99,52%, 99,81% e 99,85%. Os resultados ficam dentro dos limiares usuais adotados em esquemas de correção quântica de erros.
O estudo é inteiramente teórico. Mas, segundo Egues, isso não significa que o dispositivo dependa de componentes ainda inexistentes ou de avanços tecnológicos futuros para ser construído. “Todos os números que colocamos são realistas. Em princípio, isso pode ser realizado. Inclusive, usamos nos cálculos parâmetros de sistemas que já existem. O que ainda não existe é essa geometria, esse setup que propusemos”, argumenta.
Segundo ele, isso diferencia o trabalho de outras propostas teóricas cuja realização depende de avanços na fabricação de materiais ou de dispositivos. A detecção de correntes e campos magnéticos extremamente pequenos por SQUIDs, por exemplo, é uma tecnologia já estabelecida.
A proposta reúne, assim, dois resultados. O primeiro é de física fundamental: a previsão de uma supercorrente oscilante, semelhante à do efeito Josephson AC, mas gerada sem tensão externa pela própria evolução coerente do qubit. O segundo é tecnológico: utilizar as características dessa corrente como uma assinatura que permita reconstruir o estado do qubit com perturbação mínima.
Se a previsão for confirmada experimentalmente, o método poderá oferecer uma arquitetura mais simples para a leitura de qubits de Andreev, dispensando ancilas e sucessivas reinicializações. E poderá explorar uma característica especialmente sugestiva desses sistemas: a possibilidade de acessar informação quântica microscópica por meio de uma corrente elétrica macroscópica que o próprio qubit produz.
O artigo Andreev qubit readout from dynamic interference supercurrent pode ser acessado em: journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/6gkt-hghj.
Fonte: José Tadeu Arantes | Agência FAPESP
