Os computadores quânticos poderiam superar os computadores clássicos em muitas tarefas, mas somente se os erros que são uma parte inevitável das tarefas computacionais forem isolados, em vez de eventos generalizados. Agora, pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison encontraram evidências de que os erros estão correlacionados em todo um chip de computação quântica supercondutor – destacando um problema que deve ser reconhecido e tratado na busca por computadores quânticos tolerantes a falhas.
Os pesquisadores relatam suas descobertas em um estudo publicado em 16 de junho na revista Nature. É importante ressaltar que seu trabalho também aponta para estratégias de mitigação.
“Acho que as pessoas têm abordado o problema da correção de erros de uma forma excessivamente otimista, assumindo cegamente que os erros não são correlacionados”, disse o professor de física da UW-Madison, Robert McDermott, autor sênior do estudo. “Nossos experimentos mostram absolutamente que os erros estão correlacionados, mas à medida que identificamos os problemas e desenvolvemos uma compreensão física profunda, vamos encontrar maneiras de contorná-los.”
Os bits em um computador clássico podem ser 1 ou 0, mas os qubits em um computador quântico podem ser 1, 0 ou uma mistura arbitrária – uma superposição – de 1 e 0. Os bits clássicos, então, só podem fazer bits erros de inversão, como quando um 1 muda para 0. Qubits, entretanto, pode causar dois tipos de erro: inversões de bit ou inversões de fase, onde um estado de superposição quântica muda.
Para corrigir os erros, os computadores devem monitorá-los à medida que acontecem. Mas as leis da física quântica dizem que apenas um tipo de erro pode ser monitorado por vez em um único qubit, então um protocolo inteligente de correção de erros chamado código de superfície foi proposto. O código de superfície envolve uma grande variedade de qubits conectados – alguns fazem o trabalho computacional, enquanto outros são monitorados para inferir erros nos qubits computacionais. No entanto, o protocolo de código de superfície funciona de forma confiável apenas se os eventos que causam erros forem isolados, afetando no máximo alguns qubits.
Em experimentos anteriores, o grupo de McDermott viu indícios de que algo estava fazendo com que vários qubits girassem ao mesmo tempo. Nesse novo estudo, eles perguntaram diretamente: esses flips são independentes ou estão correlacionados?
A equipe de pesquisa projetou um chip com quatro qubits feito dos elementos supercondutores de nióbio e alumínio. Os cientistas resfriam o chip até quase o zero absoluto, o que o torna supercondutor e o protege de interferências causadoras de erros do ambiente externo.
Para avaliar se qubit flips estavam correlacionados, os pesquisadores mediram as flutuações na carga de compensação para todos os quatro qubits. A carga de compensação flutuante é efetivamente uma mudança no campo elétrico no qubit.
A equipe observou longos períodos de estabilidade relativa seguidos por saltos repentinos na carga de deslocamento. Quanto mais próximos dois qubits estivessem juntos, maior a probabilidade de pularem ao mesmo tempo. Essas mudanças repentinas foram provavelmente causadas por raios cósmicos ou radiação de fundo no laboratório, que liberam partículas carregadas. Quando uma dessas partículas atinge o chip, ela libera cargas que afetam os qubits próximos.
Este efeito local pode ser facilmente mitigado com mudanças simples de design. A maior preocupação é o que pode acontecer a seguir.
“Se nosso modelo sobre os impactos das partículas estiver correto, esperaríamos que a maior parte da energia fosse convertida em vibrações no chip que se propagam por longas distâncias”, disse Chris Wilen, aluno de graduação e principal autor do estudo. “À medida que a energia se espalha, a perturbação levaria a qubit flips que são correlacionados em todo o chip.”
Em seu próximo conjunto de experimentos, esse efeito é exatamente o que eles viram. Eles mediram saltos de carga em um qubit, como nos experimentos anteriores, então usaram o tempo desses saltos para alinhar as medições dos estados quânticos de dois outros qubits. Esses dois qubits devem sempre estar no estado computacional 1. No entanto, os pesquisadores descobriram que sempre que viam um salto de carga no primeiro qubit, os outros dois – não importa a distância no chip – mudavam rapidamente do estado computacional 1 para o estado 0.
“É um efeito de longo alcance e é realmente prejudicial”, diz Wilen. “Está destruindo as informações quânticas armazenadas nos qubits.”
Embora este trabalho possa ser visto como um retrocesso no desenvolvimento de computadores quânticos supercondutores, os pesquisadores acreditam que seus resultados irão guiar novas pesquisas para esse problema. Grupos da UW-Madison já estão trabalhando em estratégias de mitigação.
“À medida que nos aproximamos do objetivo final de um computador quântico tolerante a falhas, identificaremos um novo problema após o outro”, diz McDermott. “Isso é apenas parte do processo de aprender mais sobre o sistema, fornecendo um caminho para a implementação de designs mais resilientes.”
Publicado em 17/06/2021 11h55
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