Engenheiros do MIT estabelecem recorde mundial com 99,998% de fidelidade em computação quântica 21 de janeiro de 2025

 


Engenheiros do MIT estabelecem recorde mundial com 99,998% de fidelidade em computação quântica

Os pesquisadores do MIT alcançaram 99,998% de fidelidade de qubit único usando fluxonium, complementando um recorde anterior de fidelidade de porta de dois qubit de 99,92%.

Inovações no controle quântico: Rumo a qubits supercondutores com fidelidade recorde

A computação quântica promete resolver problemas complexos exponencialmente mais rápido do que os computadores clássicos, aproveitando os princípios da mecânica quântica para codificar e manipular informações em bits quânticos, conhecidos co
mo qubits.


Qubits e seus desafios

Qubits são os blocos de construção fundamentais de um computador quântico. No entanto, sua alta sensibilidade ao ruído ambiental e às imperfeições de controle introduz erros nas operações quânticas , limitando a duração e a complexidade dos algoritmos quânticos. Resolver este problema é a chave para avançar em direção à computação quântica prática.

Um grupo de pesquisadores do MIT desenvolveu novas técnicas de controle que alcançaram um recorde mundial de fidelidade de qubit único, atingindo 99,998 % de precisão em operações individuais usando um qubit supercondutor chamado fluxonium. Este avanço complementa a conquista anterior de 99,92% de fidelidade em portas de dois qubits.

Principais desafios: decoerência e erros de contra-rotação

Um dos principais obstáculos na computação quântica é a decoerência, o processo pelo qual os qubits perdem a sua informação quântica devido à interação com o seu ambiente. Além disso, os qubits supercondutores enfrentam erros decorrentes da dinâmica contra-rotativa, que surge quando controlados por ondas eletromagnéticas.

Os pesquisadores do MIT resolveram esse problema desenvolvendo técnicas para sincronizar pulsos eletromagnéticos que minimizam erros de contra-rotação. Esta solução, chamada “pulsos proporcionais”, garante que os erros permaneçam constantes e possam ser corrigidos através de calibrações comuns.


Fluxônio: um qubit promissor

O Fluxônio difere de outros qubits supercondutores, como o transmon, por incluir um superindutor que o protege do ruído ambiente. Isso permite que operações lógicas sejam executadas com maior precisão. Embora o fluxonium tenha frequências mais baixas que outros qubits, o que tende a tornar as portas quânticas mais longas, este trabalho demonstra que é possível atingir velocidades e fidelidades excepcionais.

As portas quânticas alcançadas no fluxonium estão entre as mais rápidas e precisas de todos os qubits supercondutores.

Implicações e perspectivas futuras

Este avanço tem um impacto significativo para o desenvolvimento de computadores quânticos funcionais. A redução de erros em qubits diminui a necessidade de recursos adicionais para correção de erros, uma etapa crítica para alcançar a computação quântica tolerante a falhas . Além disso, as técnicas desenvolvidas são independentes de plataforma, tornando-as aplicáveis ​​a outros sistemas quânticos.

A equipe de pesquisa espera continuar explorando os limites do fluxônio e desenvolver técnicas que lhe permitam operar com fidelidades ainda maiores.


Financiamento e colaboração interdisciplinar

Este trabalho foi possível com o apoio de instituições como o Gabinete de Investigação do Exército dos EUA, o Departamento de Energia e a Fundação Nacional de Ciência dos EUA, entre outras. A colaboração entre físicos e engenheiros sublinha a importância de unir conceitos fundamentais em física com aplicações práticas em engenharia para alcançar avanços revolucionários.

Esse tipo de inovação aproxima a computação quântica de ser uma ferramenta prática e transformadora para a humanidade.

Além da física: o impacto na sustentabilidade

À medida que os computadores quânticos evoluem, poderão ser fundamentais para enfrentar alguns dos maiores desafios globais. Por exemplo, no domínio das energias renováveis , poderiam otimizar a conceção das turbinas eólicas, melhorar o desempenho das baterias de armazenamento e facilitar a transição para uma economia mais sustentável.

Além disso, no domínio da agricultura sustentável , poderiam ajudar a modelar e otimizar sistemas de irrigação ou desenvolver fertilizantes mais eficientes, reduzindo o impacto ambiental. Em última análise, o avanço desta tecnologia não será apenas um triunfo da ciência, mas também um motor para um futuro mais verde.

A computação quântica tem potencial transformador em diversos campos relacionados à sustentabilidade, ecologia e preservação da natureza. Aqui estão algumas das principais áreas onde esta tecnologia pode fazer uma diferença significativa:

Otimização de energia renovável

  • Projeto de materiais avançados para painéis solares: Os computadores quânticos podem modelar moléculas e materiais em nível atômico, permitindo a descoberta de novos compostos com maior eficiência na captura e conversão da luz solar em eletricidade.
  • Otimização de turbinas eólicas: Podem simular dinâmicas complexas para melhorar o projeto e o layout das turbinas em parques eólicos, maximizando a geração de energia e minimizando o impacto ambiental.
  • Baterias de armazenamento de energia: A computação quântica pode acelerar o desenvolvimento de baterias mais eficientes e sustentáveis, como baterias de estado sólido ou baseadas em novos materiais, permitindo um armazenamento de energia mais limpo e duradouro.

Desenvolvimento de catalisadores verdes

  • Produção de combustível limpo: Os computadores quânticos podem conceber catalisadores que convertem CO₂ em combustíveis utilizáveis ​​ou facilitar a produção de hidrogénio verde a partir da água, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis.
  • Processos industriais mais sustentáveis: Poderiam otimizar processos químicos que atualmente consomem muita energia, reduzindo assim as emissões de gases com efeito de estufa.

Gestão eficiente dos recursos naturais

  • Agricultura sustentável: Com algoritmos avançados, podem ser analisadas grandes quantidades de dados sobre clima, solo e culturas, permitindo uma gestão mais precisa da irrigação, da utilização de fertilizantes e do planeamento das culturas, reduzindo o impacto ambiental.
  • Pesca sustentável: Os modelos quânticos poderiam prever os padrões de migração e crescimento das espécies marinhas, ajudando a gerir as quotas de pesca e a evitar a sobreexploração.

Conservação do ecossistema

  • Modelagem de ecossistemas complexos: Os sistemas quânticos podem simular interações em grande escala entre espécies, ecossistemas e mudanças climáticas, facilitando a tomada de decisões informadas para a preservação do habitat.
  • Prever os impactos das alterações climáticas: Os computadores quânticos podem realizar simulações mais precisas dos efeitos das alterações climáticas em vários ecossistemas, ajudando a planear estratégias de mitigação e adaptação.

Redução de resíduos e poluição

  • Otimização logística: A computação quântica pode resolver problemas de otimização em grande escala, como o planejamento de rotas de transporte ou cadeias de abastecimento, reduzindo o consumo de combustível e as emissões associadas.
  • Gestão de resíduos: Você pode projetar sistemas mais eficazes de reciclagem e reutilização de materiais, minimizando a quantidade de resíduos que chega aos aterros sanitários e aos oceanos.

Aceleração na descoberta de medicamentos e biotecnologia

  • Controlo de doenças zoonóticas: Ao modelar interacções moleculares complexas, os computadores quânticos podem contribuir para o desenvolvimento de medicamentos e tratamentos mais eficazes para doenças que afectam tanto os seres humanos como a vida selvagem.
  • Resiliência em espécies vegetais e animais: Poderiam ser concebidos organismos mais resistentes às alterações climáticas extremas, ajudando a preservar a biodiversidade.

Proteção contra as alterações climáticas

  • Captura e armazenamento de carbono (CCS): Os sistemas quânticos podem ajudar a projetar tecnologias para capturar CO₂ da atmosfera de forma mais eficiente e econômica.
  • Modelos climáticos avançados: Podem fornecer simulações mais detalhadas dos efeitos das alterações climáticas, ajudando a prever eventos extremos e a desenvolver políticas mais eficazes.

Inteligência artificial aplicada à natureza

  • Gestão de dados ambientais: Os algoritmos quânticos podem melhorar o processamento de dados de sensores ambientais, satélites e drones, facilitando o monitoramento em tempo real da saúde do planeta.
  • Prevenção de desastres naturais: Com análises mais rápidas de dados complexos, os computadores quânticos podem ajudar a prever terremotos, furacões e inundações, permitindo respostas mais rápidas e eficientes.

Impulsionar a economia circular

  • Otimização da reutilização de materiais: A computação quântica poderia facilitar a concepção de processos industriais para converter resíduos em novos produtos, promovendo uma economia baseada na regeneração e reciclagem contínuas.

Através de mit.edu