Para construir um computador quântico em grande escala que funcione, cientistas e engenheiros precisam superar os erros espontâneos que os bits quânticos, ou qubits, criam enquanto operam.
Cientistas codificam esses blocos construtores da informação quântica para suprimir erros em outros qubits, de modo que uma minoria possa operar de uma maneira que produza resultados úteis.
À medida que o número de qubits úteis (ou lógicos) aumenta, o número de qubits físicos necessários cresce ainda mais. À medida que isso se expande, a imensidão de qubits necessários para criar uma máquina quântica útil torna-se um pesadelo de engenharia.
Agora, pela primeira vez, cientistas quânticos do Laboratório de Controle Quântico do Instituto Nano da Universidade de Sydney demonstraram um tipo de porta lógica quântica que reduz drasticamente o número de qubits físicos necessários para sua operação.
Para isso, eles construíram uma porta lógica de emaranhamento em um único átomo usando um código de correção de erros apelidado de ‘pedra de Rosetta’ da computação quântica. Ela recebe esse nome porque traduz oscilações quânticas contínuas e suaves em estados discretos limpos, semelhantes a digitais, tornando os erros mais fáceis de detectar e corrigir e, o mais importante, permitindo uma maneira altamente compacta de codificar qubits lógicos.
Códigos GKP: Uma Pedra de Rosetta para a Computação Quântica
Esse curiosamente nomeado código Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) há muitos anos oferece uma possibilidade teórica de reduzir significativamente o número físico de qubits necessários para produzir um ‘qubit lógico’ funcional. Embora isso implique uma troca de eficiência por complexidade, tornando os códigos muito difíceis de controlar.
A pesquisa publicada em 21 de agosto na Nature Physics demonstra isso como uma realidade física, aproveitando as oscilações naturais de um íon preso (um átomo carregado de itérbio) para armazenar códigos GKP e, pela primeira vez, realizando portas quânticas de emaranhamento entre eles.
Liderados pelo Sydney Horizon Fellow Dr. Tingrei Tan no Instituto Nano da Universidade de Sydney, os cientistas utilizaram seu controle exquisito sobre o movimento harmônico de um íon preso para superar a complexidade de codificação dos qubits GKP, permitindo a demonstração de seu emaranhamento.
“Nossos experimentos mostraram a primeira realização de um conjunto de portas lógicas universais para qubits GKP,” disse Dr. Tan. “Fizemos isso controlando com precisão as vibrações naturais, ou oscilações harmônicas, de um íon preso de tal forma que podemos manipular qubits GKP individuais ou emaranhá-los em pares.”
Inovação em Porta Lógica Quântica e Software
Uma porta lógica é um interruptor de informação que permite que computadores – quânticos e clássicos – sejam programáveis para realizar operações lógicas. As portas lógicas quânticas usam o emaranhamento de qubits para produzir um tipo completamente diferente de sistema operacional do que é usado na computação clássica, sustentando a grande promessa dos computadores quânticos.
O primeiro autor Vassili Matsos é um estudante de doutorado na Escola de Física e no Sydney Nano. Ele disse: “Eficazmente, armazenamos dois qubits lógicos corrigíveis de erros em um único íon preso e demonstramos o emaranhamento entre eles.
“Fizemos isso usando um software de controle quântico desenvolvido pela Q-CTRL, uma startup derivada do Laboratório de Controle Quântico, com um modelo baseado em física para projetar portas quânticas que minimizam a distorção dos qubits lógicos GKP, de modo que mantenham a delicada estrutura do código GKP enquanto processam informações quânticas.”
Um Marco na Tecnologia Quântica
O que o Sr. Matsos fez foi emaranhar duas ‘vibrações quânticas’ de um único átomo. O átomo preso vibra em três dimensões. O movimento em cada dimensão é descrito pela mecânica quântica e cada um é considerado um ‘estado quântico’. Ao emaranhar dois desses estados quânticos realizados como qubits, o Sr. Matsos criou uma porta lógica usando apenas um único átomo, um marco na tecnologia quântica.
Esse resultado reduz drasticamente o hardware quântico necessário para criar essas portas lógicas, permitindo que máquinas quânticas sejam programadas.
Dr. Tan disse: “Os códigos de correção de erros GKP há muito prometem uma redução nas demandas de hardware para enfrentar o desafio de sobrecarga de recursos na escalabilidade dos computadores quânticos. Nossos experimentos alcançaram um marco importante, demonstrando que esses controles quânticos de alta qualidade fornecem uma ferramenta fundamental para manipular mais do que um único qubit lógico.
“Ao demonstrar portas quânticas universais usando esses qubits, temos uma base para trabalhar rumo ao processamento de informações quânticas em larga escala de forma altamente eficiente em hardware.”
Em três experimentos descritos no artigo, a equipe do Dr. Tan usou um único íon de itérbio contido no que é conhecido como armadilha de Paul. Isso utiliza uma complexa rede de lasers à temperatura ambiente para manter o único átomo na armadilha, permitindo que suas vibrações naturais sejam controladas e utilizadas para produzir os complexos códigos GKP.
Essa pesquisa representa uma importante demonstração de que portas lógicas quânticas podem ser desenvolvidas com um número reduzido de qubits físicos, aumentando sua eficiência.
Os autores declaram não ter interesses concorrentes. O financiamento foi recebido do Conselho Australiano de Pesquisa, da Bolsa Sydney Horizon, do Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, da Lockheed Martin, da Academia Quântica de Sydney e de um financiamento privado de H. e A. Harley.