Os qubits de spin de silício há muito são os promissores superdotados da computação quântica: podem ser fabricados usando os mesmos métodos semicondutores que produzem os chips de computador atuais, o que é o equivalente tecnológico de aparecer num evento de gala com um fato que já tem no armário. O senão, claro, é que quando tenta controlar vários qubits ao mesmo tempo, as suas operações tornam-se menos precisas — mais ou menos como pastorear gatos, se os gatos fossem subatómicos e tivessem tendência para mudanças de fase inesperadas. Construir computadores quânticos práticos e de grande escala exige controlar muitos qubits simultaneamente mantendo os erros ao mínimo, o que tem sido o problema duradouro do campo: “sim, mas como?”.

Investigadores do Centro RIKEN para a Ciência da Matéria Emergente e os seus colaboradores deram agora um passo importante para resolver isto. Num estudo publicado na Nature Physics, a equipa demonstrou controlo altamente preciso de vários qubits de spin de silício a operar simultaneamente. As suas experiências usaram uma matriz de cinco qubits ligados a uma linha de controlo de micro-ondas partilhada — porque, aparentemente, até os qubits quânticos apreciam a eficiência de um bom recurso partilhado. Ao identificar uma das principais causas de erros durante a operação simultânea, os cientistas desenvolveram uma técnica para reduzir esses erros e manter a precisão, provando que se pode, de facto, ter os qubits e controlá-los também.

Leon Camenzind, cientista de investigação da RIKEN e co-primeiro autor que supervisionou as experiências, explicou a importância: “Isto mostra que o controlo de alta fidelidade pode ser mantido mesmo quando vários qubits são operados ao mesmo tempo e representa um passo importante para escalar processadores quânticos baseados em silício.” O que, em linguagem de cientista, significa “fizemos funcionar, e isso é enorme”.

Ao contrário dos computadores convencionais, que armazenam informação como bits que representam 0 ou 1, os computadores quânticos usam bits quânticos, ou qubits, que podem existir em combinações de ambos os estados — porque escolher um só quando se pode ser indeciso de uma forma fundamentalmente útil? Os qubits de spin de silício armazenam esta informação usando o spin de eletrões individuais confinados dentro do silício. Realizar cálculos quânticos fiáveis exige um controlo extremamente preciso sobre estes spins eletrónicos, o que é mais fácil dizer do que fazer quando se lida com o equivalente quântico de uma sala cheia de crianças pequenas.

Os sinais de micro-ondas fornecem esse controlo, mas operar múltiplos qubits simultaneamente pode criar efeitos indesejados que interferem com a sua precisão. Os investigadores atribuíram grande parte deste problema a um fenómeno chamado desvio AC Stark. Este efeito ocorre quando os sinais de controlo de micro-ondas alteram os níveis de energia efetivos de um qubit, produzindo mudanças na fase do seu estado quântico. Esses desvios de fase podem perturbar a operação pretendida de qubits individuais, particularmente quando vários estão a ser controlados ao mesmo tempo — um caso clássico de demasiados cozinheiros na cozinha quântica.

Para contrariar o problema, a equipa criou um método de calibração que compensa estes desvios indesejados. Em vez de calibrar separadamente todas as combinações possíveis de qubits — o que seria um pesadelo combinatório —, a técnica baseia-se em calibrações realizadas entre pares de qubits. Isto torna a abordagem mais prática para sistemas contendo um maior número de bits quânticos. “Em vez de exigir um procedimento de calibração totalmente separado para cada combinação possível de qubits, o nosso método usa calibrações entre pares de qubits para compensar os desvios de fase indesejados”, explica Yi-Hsien Wu, o primeiro autor que realizou as experiências como parte da sua investigação de doutoramento. Por outras palavras, encontraram uma forma de evitar fazer a mesma tarefa tediosa até ao infinito, o que é uma vitória para a eficiência e para a sanidade de Wu.

Os investigadores combinaram a sua técnica de calibração com um design de dispositivo melhorado e pulsos de controlo de micro-ondas cuidadosamente ajustados. Os seus resultados mostraram que uma precisão excecionalmente alta podia ser mantida mesmo quando múltiplos qubits