Qubits usam 30 metros para confirmar que Einstein estava errado sobre quantum – Ars Technica

Um novo experimento usa qubits supercondutores para provar que a mecânica quântica viola o chamado realismo local, permitindo que dois objetos se comportem como um sistema quântico, independentemente de quão grande seja sua separação. O experimento não é o primeiro a mostrar que o realismo local não é a maneira como o universo funciona – não é o primeiro a fazê-lo com qubits.

Mas eles são os primeiros a separar os qubits por uma distância suficiente para garantir que a luz não seja rápida o suficiente para viajar entre eles durante as medições. Ele fez isso resfriando um fio de alumínio de 30 metros de comprimento para alguns milikelvins. Como os qubits são tão fáceis de controlar, o experimento fornece uma nova precisão para esses tipos de medições. E preparar o hardware pode ser essencial para futuros esforços de computação quântica.

Caindo na real sobre o realismo

Albert Einstein ficou notoriamente desconfortável com algumas das consequências do emaranhamento quântico. Se a mecânica quântica estiver correta, um par de objetos emaranhados se comportará como um único sistema quântico, independentemente da distância entre eles. Mudar o estado de um deve mudar instantaneamente o estado do segundo, já que a mudança parece acontecer mais rápido do que a possibilidade da luz viajar entre os dois objetos. Isso quase certamente está errado, argumentou Einstein.

Ao longo dos anos, as pessoas propuseram diferentes versões das chamadas variáveis ​​ocultas – propriedades físicas que são compartilhadas entre os objetos, permitindo um comportamento semelhante ao emaranhamento, mantendo localizadas as informações que determinam esse comportamento. Variáveis ​​ocultas mantêm o que é chamado de “realismo local”, mas na verdade elas não descrevem nossa realidade.

O físico John Bell mostrou que todas as estruturas para variáveis ​​locais limitam o grau em que o comportamento de objetos quânticos pode ser relacionado. Mas a mecânica quântica espera que as correlações sejam ainda maiores. Ao medir o comportamento de pares de partículas emaranhadas, podemos determinar se elas violam as equações de Bell e, assim, provar claramente que variáveis ​​ocultas não explicam seu comportamento.

Os passos iniciais em direção a essa demonstração foram ruins para variáveis ​​ocultas, mas permitiram brechas – embora a desigualdade de Bell tenha sido violada, ainda pode ser que a informação viaje entre objetos quânticos na velocidade da luz. Mas nas últimas décadas, as brechas foram gradualmente fechadas e os prêmios Nobel foram entregues.

Então, por que voltar aos experimentos? Em parte porque os qubits nos dão um grande controle sobre o sistema, permitindo-nos executar rapidamente um grande número de experimentos e investigar o comportamento desse emaranhamento. E em parte porque apresenta um desafio técnico interessante. Qubits supercondutores são controlados por radiação de micro-ondas, e seu emaranhamento requer a movimentação de alguns fótons de micro-ondas de energia muito baixa entre os dois. E fazer isso sem que o ruído ambiental estrague tudo é um grande desafio.

Ação assustadora a uma distância de 30 metros

Violar a desigualdade de Bell é uma questão relativamente simples de medir repetidamente partículas emaranhadas e mostrar que seus estados estão correlacionados. Se essa correlação exceder um valor crítico, sabemos que as variáveis ​​ocultas não podem explicar esse comportamento. E os qubits supercondutores, chamados translats, são feitos para que a medição seja trivial, precisa e rápida. Portanto, esta parte é simples.

Eliminar uma das principais lacunas nessas medições é onde as coisas ficam complicadas. Você precisa mostrar que a correlação nas medições não pode ser mediada por informações viajando na velocidade da luz. Como as medições requerem tão pouco tempo para ocorrer, isso significa que você deve separar os dois qubits por uma distância suficiente para permitir que a medição seja concluída antes que a luz viaje entre eles. Com base na duração das medições, a equipe de pesquisa por trás do novo trabalho, que trabalha na ETH Zürich, calculou que 30 metros seriam suficientes.

Embora seja apenas no final do corredor em um prédio de laboratório diferente, 30 metros é bastante desafiador por causa do processo de emaranhamento, que envolve o uso de fótons de micro-ondas de baixa energia, que podem ser facilmente perdidos em um mar de ruído ambiental. Em termos práticos, isso significa que qualquer coisa ligada a esses fótons deve permanecer nas mesmas temperaturas de milikelvin que os próprios qubits. Portanto, o fio de alumínio de 30 metros de comprimento que serve como guia de onda para microondas deve ser resfriado a uma fração de grau acima do zero absoluto.

Na prática, isso significava fornecer todo o conjunto construído para manter o acesso do fio resfriado a sistemas de resfriamento de hélio líquido contendo qubits em cada extremidade – e construir um sistema de resfriamento separado no ponto central do tubo de 30 metros. O sistema também precisava de conexões internas flexíveis e suportes externos porque a coisa toda se contrai exponencialmente à medida que esfria.

No entanto, tudo funcionou admiravelmente. Devido ao desempenho dos qubits, os pesquisadores podem realizar mais de um milhão de experimentos individuais em apenas 20 minutos. As correlações resultantes acabaram ficando acima do limite estabelecido pelas equações de Bell por impressionantes 22 desvios padrão. Em várias palavras, o valor-p do resultado foi inferior a 10^-108.

O que está por vir?

Os dois principais fatores que limitam o desempenho do sistema são erros nos qubits e a perda de fótons usados ​​em seu emaranhamento. Os pesquisadores acham que podem melhorar ambos, potencialmente tornando os qubits o teste mais rigoroso para as desigualdades de Bell. Mas o trabalho pode se tornar mais importante devido à forma como os qubits se emaranham.

Todo mundo que trabalha com qubits supercondutores diz que eventualmente precisaremos combinar milhares deles em um único computador quântico. Infelizmente, cada um desses qubits requer muito espaço no chip, o que significa que é difícil fabricar chips com mais do que algumas centenas deles. Assim, grandes players como Google e IBM estão eventualmente planejando conectar vários chips a um único computador (algo que a startup Rigetti já está fazendo).

No entanto, para dezenas de milhares de bits, definitivamente precisaríamos de tantos chips que seria difícil mantê-los todos em um bit mais frio. Isso significa que, eventualmente, desejaremos inserir os chips em diferentes sistemas de resfriamento – exatamente o que é mostrado aqui. Portanto, esta é uma demonstração importante de que podemos, de fato, interconectar qubits nesses tipos de sistemas.

Natureza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0 (sobre DOIs).