Chirping para a RAM quântica

    Lugar Jarryd

    • Escola de Engenharia Elétrica e de Telecomunicações, University of New South Wales, Sydney, Austrália

&bola; Física 15, 168

Um novo dispositivo de memória de acesso aleatório quântico lê e grava informações usando um pulso eletromagnético e um ressonador supercondutor, tornando-o significativamente mais eficiente em termos de hardware do que os dispositivos anteriores.

APS/Carin Cain

Figura 1: Os pesquisadores desenvolveram um dispositivo de RAM a partir de um ressonador de circuito supercondutor e um chip de silício incorporado com átomos de bismuto. Os pulsos de micro-ondas chilreados transferem informações quânticas entre o ressonador e os átomos de bismuto, onde a informação é armazenada nos estados de rotação dos átomos.Os pesquisadores desenvolveram um dispositivo de RAM a partir de um ressonador de circuito supercondutor e um chip de silício incorporado com átomos de bismuto. Os pulsos de micro-ondas chilreados transferem informações quânticas entre o ressonador e os átomos de bismuto, onde t… Mostre mais

A memória de acesso aleatório (ou RAM) é parte integrante de um computador, atuando como um banco de memória de curto prazo do qual as informações podem ser recuperadas rapidamente. Os aplicativos em seu telefone ou computador usam RAM para que você possa alternar entre tarefas rapidamente. Pesquisadores que trabalham na construção de futuros computadores quânticos esperam que esses sistemas possam um dia trabalhar com elementos análogos de RAM quântica, que acreditam poder acelerar a execução de um algoritmo quântico. [1, 2] ou aumentar a densidade de informações que podem ser armazenadas em um processador quântico. Agora, James O’Sullivan do London Centre for Nanotechnology e seus colegas deram um passo importante para realizar a RAM quântica, demonstrando uma abordagem de hardware eficiente que usa pulsos de micro-ondas para armazenar e recuperar informações quânticas em rotações atômicas [3].

Assim como os computadores quânticos, as demonstrações experimentais de dispositivos de memória quântica estão em sua infância. Uma das principais plataformas baseadas em chips para computação quântica usa circuitos feitos de metais supercondutores. Nesse sistema, o processamento central é feito com qubits supercondutores, que enviam e recebem informações via fótons de micro-ondas. Atualmente, no entanto, não existe um dispositivo de memória quântica capaz de armazenar de forma confiável esses fótons por longos períodos de tempo. Felizmente, os cientistas têm algumas ideias.

Uma dessas ideias é usar os spins de átomos de impureza embutidos no chip do circuito supercondutor. O spin é uma das propriedades quânticas fundamentais de um átomo. Ele age como uma agulha de bússola interna, alinhando-se com ou contra um campo magnético aplicado. Esses dois alinhamentos são análogos aos 0s e 1s de um bit clássico e podem ser usados ​​para armazenar informações quânticas. [4, 5]. Se o chip contém muitos átomos de impureza, os spins dos átomos podem atuar como um dispositivo de memória “multimodo”, capaz de armazenar simultaneamente as informações contidas em muitos fótons.

Para spins atômicos, os tempos de armazenamento de informações podem ser ordens de magnitude maiores do que para qubits supercondutores. Pesquisadores mostraram, por exemplo, que átomos de bismuto colocados dentro de chips de silício podem armazenar informações quânticas por tempos superiores a um segundo [6]. Pode-se perguntar: por que não usar qubits de spin em vez de qubits supercondutores? De fato, existem grupos de pesquisa trabalhando em computadores quânticos baseados em átomos, mas controlar e medir spins atômicos apresenta seus próprios desafios únicos. Uma abordagem híbrida é usar qubits supercondutores para processamento e spins atômicos para armazenamento, mas aqui o desafio foi como transferir informações entre os dois sistemas usando fótons de micro-ondas. Embora os pesquisadores tenham demonstrado anteriormente a absorção e recuperação de informações de fótons de micro-ondas por um conjunto de spin atômico, essas demonstrações exigiram o uso de fortes gradientes de campo magnético ou circuitos supercondutores especializados, que adicionam complexidade ao hardware de memória quântica. [7, 8].

O’Sullivan e seus colegas propõem uma solução elegante para armazenar e recuperar informações de fótons de micro-ondas que usa uma abordagem de hardware eficiente. O dispositivo da equipe consiste em um ressonador de circuito supercondutor que fica em um chip de silício embutido com átomos de bismuto (Fig. 1). A equipe enviou excitações de micro-ondas fracas contendo cerca de 1.000 fótons para o ressonador, que foram absorvidos pelos spins dos átomos de bismuto. Eles então atingiram o ressonador com pulsos eletromagnéticos de micro-ondas que aumentaram de frequência ao longo do tempo, um efeito conhecido como chilrear. Por causa disso, as informações quânticas contidas nos fótons são impressas nos spins com um identificador de “fase” exclusivo, que captura as posições de apontamento relativas dos spins vizinhos. A equipe então recuperou essa informação, transferindo os fótons para o circuito supercondutor, atingindo o conjunto de spin com um pulso idêntico, que reverteu essa fase impressa.

O’Sullivan e seus colegas mostram que seu dispositivo de memória é capaz de armazenar simultaneamente várias informações fotônicas na forma de quatro pulsos fracos de micro-ondas. Acima de tudo, eles também demonstram que as informações podem ser lidas em qualquer ordem, tornando seu dispositivo uma verdadeira RAM.

Nesta primeira demonstração, a equipe relata uma eficiência de 3%, indicando que a maioria das informações é perdida pela memória. Assim, seu dispositivo ainda está longe do armazenamento e recuperação fiéis necessários para um futuro computador quântico. No entanto, uma análise das fontes potenciais dessa baixa eficiência indica que ela não vem do processo de transferência, mas sim de limitações potencialmente solucionáveis ​​do dispositivo. A equipe acredita que, aumentando o número de voltas, eles poderiam melhorar significativamente a eficiência do dispositivo.

Além de armazenar informações, os elementos quânticos de RAM podem ajudar a aumentar a densidade de qubits em um processador quântico. Em setembro, a IBM apresentou o projeto Goldeneye, um refrigerador de alta diluição [9]. Este gigante ultracool tem um volume maior que três refrigeradores domésticos e abrigará o computador quântico supercondutor de próxima geração da IBM. Os computadores quânticos supercondutores de hoje têm uma densidade de qubits inferior a 100 por milímetro quadrado – chips de computador típicos contêm 100 milhões de transistores por milímetro quadrado – então é compreensível por que a IBM precisa de uma geladeira tão grande. O dispositivo de memória quântica baseado em spin de O’Sullivan e seus colegas poderia, em princípio, armazenar vários estados de qubit no espaço atualmente ocupado por um único, o que poderia um dia ajudar a aliviar esse problema assustador.

Referências

  1. V. Giovannitti et ai.“Memória de acesso aleatório quântico”, Física Rev. Lett. 100160501 (2008).
  2. J. Biamonte et ai.“Aprendizado de Máquina Quântica”, Natureza 549195 (2017).
  3. J.O’Sullivan et ai.“Memória de acesso aleatório quântico usando codificação de fase de pulso chirped”, Física Rev. X 12041014 (2022).
  4. Daniel Loss e DP DiVincenzo, “Computação Quântica com Pontos Quânticos”, Física Rev. TEM 57120 (1998).
  5. BE Kane, “Um computador quântico de spin nuclear baseado em silício”, Natureza 393133 (1998).
  6. G. Wolfowicz et ai.“Transições de relógio atômico em Spin Qubits baseados em silício”, Nat. Nanotecnologia. 8561 (2013).
  7. H. Wu et ai.“Armazenamento de múltiplas excitações de microondas coerentes em um Electron Spin Ensemble,” Física Rev. Lett. 105140503 (2010).
  8. C. Grezes et ai.“Armazenamento multimodo e recuperação de campos de microondas em um conjunto de rotações”, Física Rev. X 4021049 (2014).
  9. P. Gumann e J. Chow, “Cientistas da IBM resfriam o maior sistema de conceito criogênico pronto para quantum do mundo», Blog da IBM, 8 de setembro de 2022.

Sobre o autor

Imagem de Jarryd Pla

Jarryd Pla é engenheiro quântico da Universidade de New South Wales, em Sydney. Ele trabalha em questões relacionadas ao processamento de informações quânticas e, mais amplamente, às tecnologias quânticas. Pla foi fundamental na demonstração dos primeiros bits quânticos feitos do elétron e do núcleo de um único átomo de impureza dentro de um chip de silício. Seus atuais interesses de pesquisa abrangem computação quântica baseada em spin, circuitos quânticos supercondutores e tecnologias quânticas híbridas. Ele se concentra no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas para facilitar a expansão de computadores quânticos e avançar nas capacidades de espectroscopia e detecção.


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