Um truque quântico inteligente aproxima computadores quânticos práticos

Como essas alterações podem acontecer aleatoriamente, até mesmo um único erro pode atrapalhar um cálculo. Prevenir essa interrupção é um dos problemas centrais enfrentados pelos engenheiros quânticos.

Protegendo informações com Qubits lógicos

Para reduzir esses erros, os pesquisadores combinam muitos qubits físicos em um único qubit lógico e aplicam 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, que são as operações básicas que alimentam a computação quântica.

Aplicar essas operações sem introduzir novos erros tem se mostrado muito mais difícil do que simplesmente manter os qubits estáveis ​​em repouso.

Uma nova maneira de calcular enquanto corrige erros

Uma equipe liderada pelo professor Andreas Wallraff do D-PHYS demonstrou agora um método que aborda esse problema diretamente. Trabalhando com pesquisadores do Instituto Paul Scherrer (PSI) e teóricos liderados pelo professor Markus Müller da RWTH Aachen University e Forschungszentrum Jülich, o grupo mostrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros ao mesmo tempo. Suas descobertas foram publicadas recentemente em Física da Natureza.

O trabalho marca um avanço importante em direção à computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem prosseguir sem serem prejudicados por erros constantes.

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, verificados posteriormente e comparados. Se alguém virar, uma votação majoritária revela o valor correto. Essa abordagem não funciona em sistemas quânticos.

“Com qubits, as coisas são muito mais complicadas”, diz o Dr. Ilya Besedin, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Wallraff e co-autor principal do estudo ao lado do 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 equivalente na computação clássica e requerem métodos de correção próprios.

Correção de erros com códigos de superfície

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 trabalham junto com os qubits de dados para formar o qubit lógico.

Esses estabilizadores são monitorados usando qubits adicionais conectados aos qubits de dados. Medi-los revela se ocorreu uma mudança de bit 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 o estado quântico corrigido.

O desafio de realizar operações lógicas

O processo se torna mais complexo quando os pesquisadores desejam aplicar uma operação lógica, como uma porta NOT controlada entre dois qubits lógicos. Erros podem ocorrer durante a operação em si e esses erros também devem ser corrigidos.

“Realizar uma operação lógica desta forma tolerante a falhas seria relativamente fácil se pudéssemos mover nossos qubits e conectá-los arbitrariamente entre si”, diz Kerschbaum. Nos processadores quânticos supercondutores, entretanto, os qubits são fixos. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita a forma como as operações podem ser realizadas.

Dividindo o quadrado com cirurgia em treliça

Para trabalhar dentro dessas restrições, a equipe recorreu a um método conhecido como cirurgia em treliça. Em seu experimento, os pesquisadores começaram com um único qubit lógico codificado em dezessete qubits físicos. Os qubits de dados e estabilizadores foram organizados em um padrão aproximadamente quadrado. Ao longo de vários ciclos, os estabilizadores foram medidos a cada 1,66 microssegundos para corrigir as inversões de bits e de fase.

Em um momento chave, três qubits de dados passando pelo centro do quadrado foram medidos. Esta etapa dividiu efetivamente o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições dos estabilizadores tipo X foram pausadas.

“O resultado final desta operação foi que tínhamos dois qubits lógicos emaranhados”, explica Besedin. Durante o processo de divisão, os erros de inversão de bits continuaram a ser corrigidos. Posteriormente, a correção de erros de inversão de bits foi retomada independentemente em cada metade. Embora esta operação ainda não produza uma porta NOT controlada por si só, ela pode ser combinada com etapas adicionais de divisão e fusão para criar uma.

Uma inovação em Qubits supercondutores

“Poderíamos dizer que a operação de cirurgia em treliça é a operação, e todas as outras podem ser construídas a partir dela”, diz Besedin.

Ele acrescenta: “Até onde sabemos, esta é a primeira vez que a cirurgia de rede é realizada em qubits supercondutores”, acrescenta ele, “e ainda temos um longo caminho a percorrer. Por exemplo, 41 qubits físicos seriam necessários para tornar a operação de divisão em um qubit lógico estável contra inversões de fase também. No entanto, esta demonstração de cirurgia de rede em qubits supercondutores marca um passo importante em direção ao ambicioso objetivo de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits.