A corrida para resolver os maiores problemas da computação quântica

Já existem computadores quânticos, mas cometem muitos erros. Este é sem dúvida o maior obstáculo para que esta tecnologia seja verdadeiramente útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar ao virar da esquina.

Erros também ocorrem em computadores tradicionais, mas existem técnicas bem estabelecidas para corrigi-los. Eles contam com redundância, onde bits extras são usados ​​para detectar quando um 0 é trocado incorretamente por 1 ou vice-versa. Porém, no mundo quântico, os desafios são muito maiores.

As leis da mecânica quântica proíbem a duplicação de informações num computador quântico, pelo que a redundância deve ser alcançada através da difusão de informações entre grupos de qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – e da exploração de fenómenos que só existem em ambientes quânticos, como quando pares de partículas são ligados através de emaranhamento quântico. Este grupo de qubits é chamado de qubits lógicos e descobrir a maneira ideal de construí-los e usá-los é fundamental para determinar a melhor forma de eliminar erros.

O recente aumento no progresso deixou os pesquisadores otimistas. “Este é um momento muito emocionante na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão verdadeiramente interligadas”, disse ele Roberto Schoelkopf na Universidade de Yale.

Um dos obstáculos à correção de erros quânticos é que o número de qubits necessários para criar qubits lógicos tende a ser grande, tornando computadores quânticos inteiros caros e difíceis de construir. Mas Xiao Yu Lin Peng na Academia Quântica Internacional na China e sua equipe mostraram recentemente que não precisa ser assim.

Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que produz menos erros e sinaliza automaticamente os erros quando eles ocorrem. Eles então foram além, mostrando como três desses qubits poderiam ser agrupados por meio de emaranhamento quântico para construir um poder de computação oculto e livre de erros.

Então a equipe Schoelkopf recentemente demonstrado como algumas das operações necessárias para um programa de computador quântico podem ser implementadas com o mesmo tipo de qubits e taxas de erro muito baixas, com alguns erros ocorrendo muito raramente, ou seja, uma vez em um milhão de manipulações de qubits.

Embora uma abordagem como essa detectasse muitos erros, um computador quântico útil teria que conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns ainda se infiltrariam nele. Então Arian Vezvaee na startup Quantum Elements e seus colegas têm testado maneiras de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar uma capa de chuva sob um guarda-chuva.

A ideia principal é não deixar os qubits parados por muito tempo, pois isso fará com que eles percam suas propriedades quânticas especiais e sejam danificados. A equipe mostra que fornecer um “impulso” extra de radiação eletromagnética para qubits ociosos pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos até o momento.

A receita exata de como combinar qubits físicos em qubits lógicos é essencial para alguns dos cálculos mais precisos, como David Munoz Ramo na empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas descobriram enquanto investigavam um algoritmo que determina a energia mais baixa possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. Lá, a precisão exigida é tão alta que os métodos básicos de correção de erros por si só não são suficientes.

Inovações em programas de correção de erros serão críticas para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, disse ele James Wootton no início do Quantum Moth. “Ainda estamos na fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as peças da correção de erros podem ser combinadas.” Os computadores quânticos ainda não conseguem operar de forma eficaz e sem erros, mas estamos começando a encontrar a base de engenharia para isso, disse ele.