Para os humanos, o ruído de fundo geralmente é apenas um pequeno irritante. Mas para computadores quânticos, que são muito sensíveis, pode ser uma sentença de morte para os cálculos. E como o “ruído” para um computador quântico aumenta à medida que o computador é encarregado de cálculos mais complexos, ele pode rapidamente se tornar um grande obstáculo.
Mas como os computadores quânticos podem ser incrivelmente úteis, os pesquisadores vêm experimentando maneiras de contornar o problema do ruído. Normalmente, eles tentam medir o ruído para corrigi-lo, com sucesso misto.
Um grupo de cientistas da Universidade de Chicago e da Universidade de Purdue colaborou em uma nova técnica: em vez de tentar medir diretamente o ruído, eles constroem uma “impressão digital” única do ruído em um computador quântico, como é visto por um programa executado no computador.
Essa abordagem, dizem eles, mostra-se promissora para mitigar o problema do ruído – além de sugerir maneiras pelas quais os usuários podem realmente transformar o ruído a seu favor.
“Nós nos perguntamos se havia uma maneira de trabalhar com o ruído, em vez de contra ele”, disse David Mazziotti, professor do Departamento de Química do Instituto James Franck e do Chicago Quantum Exchange e coautor do estudo, que foi publicado em 25 de janeiro na Nature Communications Physics.
‘Uma nova abordagem’
Os computadores quânticos são baseados nas leis de como as partículas se comportam no nível atômico. Nesse nível, as partículas obedecem a um conjunto de regras muito estranhas; eles podem estar em dois estados diferentes ao mesmo tempo, ou ficar “emaranhados” pelo espaço. Os cientistas esperam aproveitar essas habilidades como base para os computadores.
Em particular, muitos cientistas querem usar computadores quânticos para entender melhor as regras do mundo natural, porque as moléculas operam de acordo com as leis da mecânica quântica – o que teoricamente deveria ser mais fácil de simular usando um computador quântico.
Mas, apesar dos avanços significativos na tecnologia de computação quântica na última década, a capacidade computacional ficou aquém das esperanças dos cientistas. Muitos haviam assumido que aumentar o número de bits de computador – “qubits”, para computadores quânticos – ajudaria a aliviar o problema do ruído, mas como o ruído limita a precisão, os cientistas ainda não conseguiram realizar muitos dos cálculos que gostariam.
“Pensamos que seria hora de uma nova abordagem”, disse o coautor Saber Kais, professor de física e química da Purdue University.
Até o momento, os cientistas tentaram entender o efeito do ruído medindo diretamente o ruído em cada qubit. Mas catalogar essas mudanças discretas é difícil e, pensou o grupo, talvez nem sempre seja o caminho mais eficiente.
“Muitas vezes na física, é realmente mais fácil entender o comportamento geral de um sistema do que saber o que cada parte está fazendo”, disse o coautor Zixuan Hu, pesquisador de pós-doutorado em Purdue. “Por exemplo, é difícil simular o que cada molécula em um copo de água está fazendo, mas é muito mais fácil prever o comportamento do todo.”
Então, em vez de tentar medir com precisão o ruído real, os cientistas decidiram fazer um teste para ter uma noção do ruído geral que os computadores quânticos experimentam.
Eles escolheram uma computação específica de uma molécula exibindo comportamento quântico e a executaram como uma simulação em um computador quântico. Em seguida, eles ajustaram as configurações do problema em várias direções diferentes e acompanharam como o ruído respondeu. “Ao juntar tudo isso, construímos uma ‘impressão digital’ do ruído percebido pela simulação que estamos executando”, disse Mazziotti.
Hu explicou que executar um cálculo de uma molécula que já é bem conhecida os ajudou a desvendar os efeitos específicos do ruído.
“Sabemos muito pouco sobre computadores quânticos e ruído, mas sabemos muito bem como essa molécula se comporta quando excitada”, disse Hu. “Então, usamos computadores quânticos, sobre os quais não sabemos muito, para imitar uma molécula com a qual estamos familiarizados e vemos como ela se comporta. Com esses padrões familiares, podemos obter algum entendimento.”
Esta operação dá uma visão mais ‘olho de pássaro’ do ruído que os computadores quânticos simulam, disse Scott Smart, Ph.D. estudante da Universidade de Chicago e primeiro autor do artigo.
Os autores esperam que essas informações possam ajudar os pesquisadores a pensar em como projetar novas maneiras de corrigir o ruído. Pode até sugerir maneiras pelas quais o ruído pode ser útil, disse Mazziotti.
Por exemplo, se você está tentando simular um sistema quântico como uma molécula no mundo real, você sabe que haverá ruído – porque o ruído existe no mundo real. Na abordagem anterior, você usa o poder computacional para adicionar uma simulação desse ruído.
“Mas, em vez de construir ruído como operação adicional em um computador quântico, talvez pudéssemos usar o ruído intrínseco a um computador quântico para imitar o ruído em um problema quântico difícil de resolver em um computador convencional”, disse Mazziotti.
Os autores acreditam que essa abordagem única para o problema do ruído é útil à medida que os pesquisadores continuam a explorar o jovem campo da computação quântica.
“Ainda não temos certeza de quais tipos de problemas para os quais os computadores quânticos serão mais úteis”, disse Mazziotti. “Esperamos que isso forneça uma maneira diferente de pensar sobre o ruído que abrirá novos caminhos para simular moléculas com dispositivos quânticos”.
Publicado em 27/01/2022 14h17
Artigo original:
Estudo original: