Pesquisadores da Universidade de Chicago publicaram uma nova técnica para melhorar a confiabilidade de computadores quânticos, acessando níveis de energia mais altos do que os tradicionalmente considerados. A maioria dos trabalhos anteriores em computação quântica lida com “qubits”, o análogo quântico de bits binários que codificam zero ou um. Em vez disso, o novo trabalho utiliza “qutrits”, análogos quânticos de trits de três níveis capazes de representar zero, um ou dois.
O grupo UChicago trabalhou ao lado de pesquisadores da Duke University. Ambos os grupos fazem parte da colaboração EPiQC (Ativação de Computação Quântica em Escala Prática), uma Expedição NSF em Computação. A pesquisa interdisciplinar do EPiQC abrange desde o desenvolvimento de algoritmos e softwares até arquitetura e design de hardware, com o objetivo final de realizar mais rapidamente o enorme potencial da computação quântica para descoberta científica e inovação de computação.
Acessando níveis de energia mais altos
O trabalho pode ser visto no contexto de um trade-off fundamental espaço-tempo que é comum em ciência da computação: Programas podem ser acelerados usando mais memória ou, alternativamente, programas podem reduzir requisitos de memória incorrendo em tempos de execução mais longos. Mas no contexto da computação quântica, em que máquinas de curto prazo são severamente limitadas na memória e nos tempos de execução suportados, nenhuma dessas compensações é aceitável.
A solução que a equipe do EPiQC descobriu foi quebrar a abstração do uso de qubits binários. “Embora a lógica binária faça sentido para a física on-off subjacente aos computadores convencionais, o hardware quântico não é inerentemente binário”, explica o pesquisador Pranav Gokhale, um estudante de pós-graduação da Universidade de Chicago. Na verdade, os estados em um computador quântico pertencem a um espectro infinito, de modo que o qubit é apenas uma escolha artificial de usar somente dois dos estados.
A equipe descobriu que, ao permitir o uso de três estados via qutrits, uma das operações fundamentais na computação quântica é exponencialmente mais rápida sem a necessidade de memória adicional. A equipe verificou sua descoberta com simulações executadas sob condições de ruído realistas.
“Qutrits têm um custo, já que a presença de um estado adicional implica em mais possíveis fontes de erro”, disse Gokhale. “No entanto, nossas simulações demonstram que as quits têm uma vantagem convincente com confiabilidade de duas a dez vezes maior do que os algoritmos de apenas qubits para benchmarks de curto prazo”.
Fazendo a ponte entre hardware e software
A descoberta da equipe é bem compatível com o foco interdisciplinar da EPiQC em fazer a ponte entre hardware e software quânticos. Um estágio inicial deste trabalho foi apresentado na Conferência de Processamento de Informação Quântica em janeiro deste ano, onde ganhou o prêmio de melhor pôster. Desde então, a pesquisa foi aperfeiçoada para combinar modelos sofisticados de hardware desenvolvidos em conjunto com especialistas que trabalham com computadores quânticos supercondutores e com íons retidos.
Ao adaptar algoritmos para aproveitar os recursos exclusivos do hardware quântico, percebemos ganhos de eficiência que estão escondidos por trás das barreiras de abstração entre hardware e software “, observa Fred Chong, Seymour Goodman Professor de Ciência da Computação na UChicago e líder PI do EPiQC. “Neste caso, nossa modelagem de hardware nos levou a revisitar e desafiar a sabedoria convencional de que a operação binária é melhor para computação.”
O artigo completo, “Melhorias Assintóticas para Circuitos Quânticos via Qutrits”, está disponível aqui: https://arxiv.org/pdf/1905.10481.pdf
Publicado em 22/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-path-reliable-quantum.html
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