Os bits quânticos são complicados e frágeis. Computadores quânticos úteis precisarão usar uma técnica de correção de erros como a que foi demonstrada recentemente em uma máquina real.
Em 1994, Peter Shor, um matemático da Bell Labs em New Jersey, provou que um computador quântico teria o poder de resolver alguns problemas exponencialmente mais rápido do que uma máquina clássica. A questão era: Será que um pode ser construído? Os céticos argumentavam que os estados quânticos eram delicados demais – o ambiente inevitavelmente bagunçaria as informações no computador quântico, tornando-o nem um pouco quântico.
Um ano depois, Shor respondeu. Esquemas de correção de erros clássicos mediam bits individuais para verificar se há erros, mas essa abordagem não funcionaria para bits quânticos, ou “qubits”, uma vez que qualquer medição destruiria o estado quântico e, portanto, o cálculo. Shor descobriu uma maneira de detectar se um erro ocorreu sem medir o estado do próprio qubit. O código de Shor marcou o início do campo de correção de erros quânticos.
O campo floresceu. A maioria dos físicos o vê como o único caminho para a construção de um computador quântico extremamente poderoso. ?Não seremos capazes de aumentar a escala dos computadores quânticos a ponto de eles poderem resolver problemas realmente difíceis sem eles?, disse John Preskill, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
Tal como acontece com a computação quântica em geral, uma coisa é desenvolver um código de correção de erros, e outra bem diferente implementá-lo em uma máquina funcional. Mas no início de outubro, pesquisadores liderados por Chris Monroe, um físico da Universidade de Maryland, relataram que haviam demonstrado muitos dos ingredientes necessários para executar um circuito com correção de erros como o de Shor.
Então, como Shor resolveu os enigmas que enfrentou? Ele usou a complexidade adicional da mecânica quântica a seu favor.
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Shor modelou seu protocolo de acordo com o código de repetidor clássico, que envolve fazer cópias de cada bit de informação e, em seguida, verificar periodicamente essas cópias umas contra as outras. Se um dos bits for diferente dos outros, o computador pode corrigir o erro e continuar o cálculo.
Shor projetou uma versão quântica disso. Ele usou três qubits ?físicos? individuais para codificar um único qubit de informação – o qubit ?lógico?. O código do repetidor quântico de Shor não poderia ser exatamente o mesmo que a versão clássica. O poder essencial da computação quântica vem do fato de que os qubits podem existir em uma ?superposição? de estar em uma combinação de 0 e 1 ao mesmo tempo. Uma vez que medir um estado quântico destruiria a superposição, não havia uma maneira direta de verificar se um erro havia ocorrido.
Em vez disso, ele encontrou uma maneira de saber se os três qubits físicos estavam no mesmo estado que um do outro. Se um dos qubits fosse diferente, isso indicaria que ocorreu um erro.
A tarefa não é diferente de resolver um quebra-cabeça lógico simples. Você recebe três bolas que parecem idênticas, mas uma das bolas pode ter um peso diferente. Você também tem uma escala de equilíbrio simples. Quais medidas permitirão que você determine se há algo estranho na mistura e, em caso afirmativo, qual é?
Um algoritmo quântico tira vantagem dessa relação de fase entre seus qubits. Ele configura uma situação em que a resposta correta a um cálculo interfere construtivamente e, portanto, é amplificada, enquanto a resposta incorreta é suprimida por interferência destrutiva.
Mas se um erro fizer com que a fase mude, então a interferência destrutiva pode mudar para a interferência construtiva, e o computador quântico começará a amplificar a resposta errada.
Shor descobriu que poderia corrigir os erros de fase usando um princípio semelhante ao que ele usava para inverter bit. Cada qubit lógico é codificado em três qubits, e os qubits ancilla verificam se uma das fases foi invertida.
Shor então combinou os dois códigos. O resultado foi um código que traduziu um qubit lógico em nove qubits físicos que ofereciam verificações de bit e de fase.
Tolerante a uma falha
O código de Shor protegeria, em princípio, um único qubit lógico de erros. Mas e se houver um erro nas próprias medições de erro? Então, em sua tentativa de corrigir o erro inexistente, você mudaria um pouco e inadvertidamente introduziria um erro real. Em alguns casos, isso pode causar uma cascata de erros na propagação do código.
O código de Shor também não considerou como ele operaria um computador quântico construído a partir de seus qubits lógicos. ?Precisamos de alguma forma de fazer cálculos nos estados codificados, sem perder essa proteção. E isso não é simples ?, disse Daniel Gottesman, um cientista da computação teórico da Universidade de Maryland.
Então, em 1996, seu terceiro ano consecutivo de trilhas ardentes, Shor surgiu com a noção de tolerância a falhas. Um código tolerante a falhas pode lidar com erros introduzidos pelo ambiente, por operações imperfeitas nesses qubits e até mesmo pelas próprias etapas de correção de erros – desde que a taxa em que esses erros ocorrem esteja abaixo de um certo limite.
No mês passado, Monroe e seu grupo anunciaram que usaram uma versão protegida contra falhas do código de Shor, chamada de código Bacon-Shor, para demonstrar quase todas as ferramentas necessárias para um computador quântico totalmente tolerante a falhas. Eles codificaram um qubit lógico nos estados quânticos de nove íons, então, usando quatro qubits ancilla, eles mostraram que podiam executar com tolerância a falhas todas as operações de qubit único necessárias para a computação quântica. O resultado mostra que um computador quântico tolerante a falhas é possível.
Esse objetivo permanece distante, no entanto. Monroe acha que a vantagem concedida pela correção de erros não será vista até que os computadores quânticos atinjam cerca de 100 qubits lógicos. Tal máquina exigiria cerca de 1.300 qubits físicos, uma vez que cada qubit lógico precisa de nove qubits físicos mais quatro ancillas. (O maior processador quântico atual, o recém-anunciado Eagle da IBM, tem 127 qubits físicos.) Nesse ponto, “vamos começar a fazer uma fábrica de qubit e então introduziremos a correção de erros”, disse Monroe. “Mas não antes.”
Publicado em 21/11/2021 12h09
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