Os computadores quânticos têm o potencial de transformar campos da ciência dos materiais à criptografia, mas atualmente continuam extremamente difíceis de construir e operar. Um dos maiores desafios vem da decoerência, um processo que introduz erros em sistemas quânticos. Esses erros geralmente assumem a forma de inversões de bits ou inversões de fase. As inversões de bits ocorrem quando um qubit alterna acidentalmente entre “0” e “1”. Uma mudança de fase ocorre quando a fase de uma superposição quântica inverte repentinamente, de positiva para negativa.
Como essas alterações podem ocorrer aleatoriamente, até mesmo um único erro pode atrapalhar o cálculo. Prevenir essa interrupção é um dos principais problemas enfrentados pelos engenheiros quânticos.
Protegendo informações usando qubits lógicos
Para reduzir esses erros, os pesquisadores combinaram muitos qubits físicos em um único qubit lógico e aplicaram correção contínua de erros. Esta estratégia ajuda a preservar a informação quântica ao longo do tempo, tornando o armazenamento relativamente estável. Mas armazenar informações é apenas parte da tarefa. Para executar um algoritmo quântico, os qubits devem ser manipulados ativamente usando portas quânticas, uma operação fundamental que suporta a computação quântica.
Acontece que aplicar essas operações sem introduzir novos erros é muito mais difícil do que simplesmente manter os qubits estáveis em estado de repouso.
Nova maneira de realizar cálculos enquanto corrige erros
Uma equipe liderada pelo professor Andreas Wallraff, D-PHYS, demonstrou agora uma abordagem direta para este problema. A equipe, em colaboração com pesquisadores do Instituto Paul Scherrer (PSI) e teóricos liderados pelo professor Markus Müller da Universidade RWTH Aachen e do Centro de Pesquisa Jülich, demonstrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros. Suas descobertas foram publicadas recentemente em física natural.
Este trabalho marca um avanço importante na computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem prosseguir sem serem prejudicados por erros persistentes.
Por que a correção quântica de erros é diferente
A correção de erros em computadores clássicos depende da cópia de informações. Vários bits idênticos podem ser armazenados, posteriormente examinados e comparados. Se invertido, a votação da maioria mostrará o valor correto. Esta abordagem não funciona em sistemas quânticos.
“Com qubits, as coisas são muito mais complicadas”, disse o Dr. Ilya Besedin, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Wallraff e coautor principal do estudo, junto com o estudante de doutorado Michael Kerschbaum. A informação quântica não pode ser copiada ou clonada. Em vez disso, deve ser distribuído entre qubits emaranhados. Além disso, os sistemas quânticos sofrem de erros de inversão de fase, que não têm contrapartida nos cálculos clássicos e requerem métodos de correção próprios.
Usando códigos de superfície para correção de erros
Uma solução amplamente utilizada envolve códigos de superfície. Nesta abordagem, as informações de um único qubit são espalhadas por vários qubits de dados físicos. A detecção de erros depende de medições repetidas de estabilizadores, que junto com qubits de dados formam qubits lógicos.
Esses estabilizadores são monitorados usando qubits adicionais conectados a qubits de dados. Medi-los pode revelar se ocorreram inversões de bits ou de fase entre as verificações. Os estabilizadores tipo Z detectam alterações no valor do bit, enquanto os estabilizadores tipo X detectam alterações de fase. É importante ressaltar que os próprios qubits de dados nunca são medidos diretamente, permitindo-lhes armazenar com segurança estados quânticos corrigidos.
Desafios na execução de operações lógicas
O processo se torna mais complicado quando os pesquisadores desejam aplicar operações lógicas, como portas NOT controladas, entre dois qubits lógicos. Podem ocorrer erros na própria operação e esses erros também devem ser corrigidos.
“Se pudéssemos mover os qubits e conectá-los entre si arbitrariamente, seria relativamente fácil realizar operações lógicas dessa forma tolerante a falhas”, disse Kerschbaum. Em um processador quântico supercondutor, entretanto, os qubits são fixos. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita a forma como as operações podem ser realizadas.
Divida quadrados com cirurgia em treliça
Para superar essas limitações, a equipe de pesquisa recorreu a um método denominado cirurgia em treliça. Em seus experimentos, os pesquisadores começaram com um único qubit lógico codificado em dezessete qubits físicos. Os qubits de dados e estabilizadores são organizados em um padrão aproximadamente quadrado. O estabilizador é medido a cada 1,66 microssegundos ao longo de vários ciclos para corrigir inversões de bits e inversões de fase.
Em momentos-chave, são medidos três qubits de dados que passam pelo centro do quadrado. Esta etapa divide efetivamente o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições do estabilizador tipo X também foram suspensas.
“O resultado final desta operação é que temos dois qubits lógicos emaranhados”, explica Besedin. Durante o processo de divisão, os erros de inversão de bits continuam a ser corrigidos. Posteriormente, a correção de erros de inversão de bits é restaurada independentemente em cada metade. Embora esta operação por si só ainda não produza uma porta NOT controlada, ela pode ser combinada com outras etapas de divisão e fusão para criar uma porta NOT controlada.
Uma inovação em qubits supercondutores
“Poderíamos dizer que a cirurgia em treliça é a cirurgia a partir da qual todas as outras cirurgias podem ser construídas”, disse Besedin.
“Até onde sabemos, esta é a primeira vez que a cirurgia de rede foi realizada em um qubit supercondutor”, disse ele, acrescentando: “Ainda temos um longo caminho a percorrer. Por exemplo, 41 qubits físicos foram necessários para fazer uma operação de divisão em um qubit lógico também estável contra inversão de fase. No entanto, a demonstração da cirurgia de rede em um qubit supercondutor marca um passo importante em direção ao ambicioso objetivo de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits. “
