Cientistas aumentam sinais quânticos enquanto reduzem o ruído

Os cientistas podem efetivamente contornar essa limitação usando amplificação “paramétrica” ​​para “espremer” o ruído – um fenômeno quântico que diminui o ruído que afeta uma variável enquanto aumenta o ruído que afeta seu parceiro conjugado. Embora a quantidade total de ruído permaneça a mesma, ela é efetivamente redistribuída. Os pesquisadores podem então fazer medições mais precisas observando apenas a variável de menor ruído.

Uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveu agora um novo amplificador paramétrico supercondutor que opera com o ganho de espremedores de banda estreita anteriores, ao mesmo tempo em que alcança compressão quântica em larguras de banda muito maiores. Seu trabalho é o primeiro a demonstrar compressão em uma ampla largura de banda de frequência de até 1,75 gigahertz, mantendo um alto grau de compressão (redução seletiva de ruído). Em comparação, os amplificadores paramétricos de micro-ondas anteriores geralmente alcançavam larguras de banda de apenas 100 megahertz ou menos.

Este novo dispositivo de banda larga pode permitir que os cientistas leiam informações quânticas com muito mais eficiência, levando a sistemas quânticos mais rápidos e precisos. Ao reduzir o erro nas medições, essa arquitetura pode ser utilizada em sistemas multiqubit ou outras aplicações metrológicas que exijam extrema precisão.

“À medida que o campo da computação quântica cresce e o número de qubits nesses sistemas aumenta para milhares ou mais, precisaremos de amplificação de banda larga. Com nossa arquitetura, com apenas um amplificador, você poderia teoricamente ler milhares de qubits ao mesmo tempo, ” diz o estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação Jack Qiu, que é membro do Grupo de Sistemas Quânticos de Engenharia e principal autor do artigo detalhando esse avanço.

Os autores seniores são William D. Oliver, o professor Henry Ellis Warren de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, diretor do Centro de Engenharia Quântica e diretor associado do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; e Kevin P. O’Brien, professor de desenvolvimento de carreira Emanuel E. Landsman de engenharia elétrica e ciência da computação. O papel aparecerá em física da natureza.

Comprimindo o ruído abaixo do limite quântico padrão

Circuitos quânticos supercondutores, como bits quânticos ou “qubits”, processam e transferem informações em sistemas quânticos. Esta informação é transportada por sinais eletromagnéticos de micro-ondas compostos por fótons. Mas esses sinais podem ser extremamente fracos, então os pesquisadores usam amplificadores para aumentar o nível do sinal de forma que medições limpas possam ser feitas.

No entanto, uma propriedade quântica conhecida como Princípio da Incerteza de Heisenberg exige que uma quantidade mínima de ruído seja adicionada durante o processo de amplificação, levando ao “limite quântico padrão” do ruído de fundo. No entanto, um dispositivo especial, chamado amplificador paramétrico Josephson, pode reduzir o ruído adicionado “espremendo-o” abaixo do limite fundamental, redistribuindo-o efetivamente em outro lugar.

A informação quântica é representada nas variáveis ​​conjugadas, por exemplo, a amplitude e a fase das ondas eletromagnéticas. No entanto, em muitos casos, os pesquisadores precisam apenas medir uma dessas variáveis ​​- a amplitude ou a fase – para determinar o estado quântico do sistema. Nesses casos, eles podem “espremer o ruído”, diminuindo-o para uma variável, digamos amplitude, enquanto o aumenta para a outra, neste caso, a fase. A quantidade total de ruído permanece a mesma devido ao Princípio da Incerteza de Heisenberg, mas sua distribuição pode ser moldada de forma que medições menos ruidosas sejam possíveis em uma das variáveis.

Um amplificador paramétrico Josephson convencional é baseado em ressonador: é como uma câmara de eco com um elemento não linear supercondutor chamado junção Josephson no meio. Os fótons entram na câmara de eco e saltam para interagir com a mesma junção Josephson várias vezes. Nesse ambiente, a não linearidade do sistema — percebida pela junção Josephson — é aprimorada e leva à amplificação e compactação paramétricas. Mas, como os fótons atravessam a mesma junção Josephson muitas vezes antes de sair, a junção é estressada. Como resultado, tanto a largura de banda quanto o sinal máximo que o amplificador baseado em ressonador pode acomodar são limitados.

Os pesquisadores do MIT adotaram uma abordagem diferente. Em vez de incorporar uma única ou algumas junções Josephson dentro de um ressonador, eles encadearam mais de 3.000 junções, criando o que é conhecido como amplificador paramétrico de onda viajante Josephson. Os fótons interagem uns com os outros à medida que viajam de uma junção para outra, resultando em compactação de ruído sem enfatizar nenhuma junção única.

Seu sistema de ondas viajantes pode tolerar sinais de potência muito mais altos do que os amplificadores Josephson baseados em ressonador sem a restrição de largura de banda do ressonador, levando à amplificação de banda larga e altos níveis de compressão, diz Qiu.

“Você pode pensar neste sistema como uma fibra óptica realmente longa, outro tipo de amplificador paramétrico não linear distribuído. E podemos aumentar para 10.000 junções ou mais. Este é um sistema extensível, em oposição à arquitetura ressonante”, diz ele.

Amplificação quase silenciosa

Um par de fótons de bomba entra no dispositivo, servindo como fonte de energia. Os pesquisadores podem ajustar a frequência dos fótons provenientes de cada bomba para gerar compressão na frequência de sinal desejada. Por exemplo, se eles quiserem espremer um sinal de 6 gigahertz, eles ajustariam as bombas para enviar fótons a 5 e 7 gigahertz, respectivamente. Quando os fótons da bomba interagem dentro do dispositivo, eles se combinam para produzir um sinal amplificado com uma frequência bem no meio das duas bombas. Este é um processo especial de um fenômeno mais genérico chamado mistura de ondas não lineares.

“A compressão do ruído resulta de um efeito de interferência quântica de dois fótons que surge durante o processo paramétrico”, explica ele.

Essa arquitetura permitiu reduzir a potência do ruído em um fator 10 abaixo do limite quântico fundamental enquanto operava com 3,5 gigahertz de largura de banda de amplificação – uma faixa de frequência que é quase duas ordens de magnitude maior do que os dispositivos anteriores.

Seu dispositivo também demonstra geração de banda larga de pares de fótons emaranhados, o que pode permitir que os pesquisadores leiam informações quânticas de forma mais eficiente com uma relação sinal-ruído muito maior, diz Qiu.

Embora Qiu e seus colaboradores estejam entusiasmados com os resultados, ele diz que ainda há espaço para melhorias. Os materiais usados ​​para fabricar o amplificador apresentam alguma perda de micro-ondas, o que pode reduzir o desempenho. Seguindo em frente, eles estão explorando diferentes métodos de fabricação que podem melhorar a perda de inserção.

“Este trabalho não pretende ser um projeto independente. Ele tem um tremendo potencial se você aplicá-lo a outros sistemas quânticos – para fazer interface com um sistema qubit para aprimorar a leitura, ou para emaranhar qubits, ou estender a faixa de frequência operacional do dispositivo para ser utilizado na detecção de matéria escura e melhorar sua eficiência de detecção. Isso é essencialmente como um projeto para trabalhos futuros”, diz ele.

Co-autores adicionais incluem Arne Grimsmo, professor sênior da Universidade de Sydney; Kaidong Peng, aluno de pós-graduação da EECS no Grupo de Eletrônica Coerente Quântica do MIT; Bharath Kannan, PhD ’22, CEO da Atlantic Quantum; Benjamin Lienhard, PhD ’21, pós-doutorado na Universidade de Princeton; Youngkyu Sung, um estudante de graduação da EECS no MIT; Philip Krantz, pós-doutorado do MIT; Vladimir Bolkhovsky, Greg Calusine, David Kim, Alex Melville, Bethany Niedzielski, Jonilyn Yoder e Mollie Schwartz, membros da equipe técnica do MIT Lincoln Laboratory; Terry Orlando, professor de engenharia elétrica no MIT e membro da RLE; Irfan Siddiqi, professor de física da Universidade da Califórnia em Berkeley; e Simon Gustavsson, um dos principais cientistas de pesquisa do grupo de Sistemas Quânticos de Engenharia do MIT.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelos Laboratórios de Física e Informática da NTT e pelo programa Office of the Director of National Intelligence IARPA.