Os computadores quânticos são um estudo de extremos. Por um lado, eles prometem ser muito mais poderosos que as máquinas clássicas na resolução de certos problemas. Por outro, sua natureza quântica é notavelmente frágil e sensível ao ruído ambiental.
Para realizar cálculos quânticos escaláveis e úteis, os cientistas precisam corrigir esses erros de maneira eficiente. Um passo importante para esse objetivo é realizar cálculos quânticos de forma a impedir que erros corrigíveis se espalhem (e, assim, se tornem incorrigíveis). Agora, pela primeira vez, pesquisadores na Áustria e na Alemanha demonstraram experimentalmente um conjunto universal dessas chamadas operações quânticas tolerantes a falhas, lançando as bases para computação quântica corrigida de erros em larga escala.
Correção de erros
A chave para qualquer tipo de correção de erros é adicionar redundância às informações que precisam ser protegidas. Um computador clássico, por exemplo, pode fazer várias cópias de cada bit para que, se algum bit alterar o valor incorretamente, observar todos os bits no final da computação lhe dará uma boa ideia de qual deveria ter sido seu valor. No caso quântico, copiar e verificar informações é mais complicado, mas a ideia de adicionar redundância é a mesma: os dados contidos em um único qubit físico são espalhados entre muitos qubits usando emaranhamento, de forma que a máquina detecte erros caso eles acontecer e realizar correções sem comprometer o estado da computação. Esses muitos qubits físicos são chamados de qubits lógicos e a transformação emaranhada é conhecida como codificação.
Se manter o estado do qubit lógico inalterado para sempre fosse tudo o que alguém se importasse, a correção de erros seria relativamente simples. A dificuldade real surge quando o estado desse grande sistema composto precisa ser manipulado, já que cada etapa do algoritmo quântico agora precisa ser executada nos muitos qubits físicos que codificam um qubit lógico. Isso adiciona erros e cria problemas adicionais, pois nem todas as operações quânticas são fáceis de traduzir para essa grande forma lógica. Notoriamente, uma importante operação quântica conhecida como T-gate requer métodos complexos e com muitos recursos para serem executados de maneira tolerante a falhas – para não falar de interações de vários qubits.
Conjunto completo de blocos de construção
No trabalho mais recente, descrito na Nature, pesquisadores da Universidade de Innsbruck e da RWTH Aachen University demonstraram um conjunto completo de operações quânticas tolerantes a falhas em um computador quântico de armadilha de íons. Além de implementar uma porta T, o conjunto inclui a preparação de qubits em configurações conhecidas como autoestados lógicos de Pauli e a criação de uma porta CNOT emaranhada entre dois qubits lógicos. Esses ingredientes permitem que um único qubit seja transformado em todos os estados possíveis e interaja com outros qubits, tornando-os os blocos de construção básicos de qualquer computação quântica arbitrária na configuração tolerante a falhas.
Os qubits do experimento são codificados em estados eletrônicos de 16 íons de cálcio suspensos usando campos magnéticos (uma armadilha de Paul macroscópica) e controlados com feixes de laser individuais. As vantagens de usar íons aprisionados em vez dos qubits supercondutores preferidos por muitas empresas de computação quântica incluem taxas de erro mais baixas e melhor conectividade entre qubits, embora haja desafios com o dimensionamento da tecnologia. Os pesquisadores usam sete qubits físicos para criar cada qubit lógico por meio de uma codificação conhecida como código de cores, e seu sistema também incorpora qubits físicos de “bandeira” adicionais para sinalizar a presença de erros perigosos no sistema. Essa técnica reduz drasticamente os recursos necessários para a correção de erros. É importante ressaltar que o experimento demonstra que o esquema tolerante a falhas tem um desempenho melhor do que uma implementação não tolerante a falhas, apesar da complexidade adicional no algoritmo subjacente.
Os resultados marcam um grande passo à frente para a computação quântica tolerante a falhas, embora ainda restem muitas etapas antes que experimentos verdadeiramente em grande escala possam ser realizados. “Codificar mais qubits lógicos – seja usando um código de correção de erros mais pequeno ou usando códigos que hospedam vários qubits lógicos em um estado multi-qubit emaranhado – é um dos próximos objetivos?, diz Lukas Postler, estudante de doutorado na Universidade de Innsbruck e um dos autores do artigo. “Um objetivo de curto prazo certamente é desenvolver um modelo de erro mais refinado para uma melhor compreensão dos processos de erro e seu efeito no desempenho lógico do qubit?, acrescenta. Além de modelar erros e implementar mais qubits lógicos no curto prazo, no longo prazo os pesquisadores esperam realizar repetidas rodadas de correção de erros no sistema, indispensáveis para a computação quântica em larga escala.
Publicado em 06/07/2022 11h59
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