Os computadores quânticos têm o potencial de transformar campos que vão desde a ciência dos materiais até a criptografia, mas hoje eles 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 se manifestam na forma de mudanças de bit ou de fase. Uma mudança de bit ocorre quando um qubit alterna inesperadamente entre ‘0’ e ‘1’. Uma mudança de fase acontece quando a fase de uma superposição quântica inverte repentinamente, mudando de positiva para negativa.
Como essas mudanças podem ocorrer de forma aleatória, até mesmo um único erro pode interromper um cálculo. Impedir essa interrupção é um dos problemas centrais que os engenheiros quânticos enfrentam.
Protegendo as Informações com Qubits Lógicos
Para reduzir esses erros, os pesquisadores combinam muitos qubits físicos em um único qubit lógico e aplicam correção de erros contínua. 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 Computar 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 do Forschungszentrum Jülich, o grupo mostrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros ao mesmo tempo. As descobertas foram recentemente publicadas na Nature Physics.
O trabalho representa um avanço importante rumo à computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem prosseguir sem serem desvirtuados por erros constantes.
Por que a Correção de Erros Quântica é Diferente
A correção de erros em computadores clássicos se baseia na cópia de informações. Múltiplos bits idênticos podem ser armazenados, verificados posteriormente e comparados. Se um deles mudar, um voto da maioria 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 do grupo de Wallraff e coautor do estudo ao lado do doutorando Michael Kerschbaum. A informação quântica não pode ser copiada ou clonada. Em vez disso, deve ser distribuída entre qubits emaranhados. Além disso, os sistemas quânticos sofrem de erros de mudança de fase, que não têm equivalente na computação clássica e requerem seus próprios métodos de correção.
Correção de Erros com Códigos de Superfície
Uma solução amplamente utilizada envolve códigos de superfície. Nesta abordagem, a informação de um único qubit é espalhada por vários qubits de dados físicos. A detecção de erros depende de medições repetidas de estabilizadores, que trabalham ao lado dos qubits de dados para formar o qubit lógico.
Esses estabilizadores são monitorados usando qubits adicionais conectados aos qubits de dados. Medir esses estabilizadores revela se uma mudança de bit ou de fase ocorreu entre as verificações. Estabilizadores do tipo Z detectam mudanças no valor do bit, enquanto estabilizadores do tipo X detectam mudanças de fase. É importante notar que os qubits de dados nunca são medidos diretamente, permitindo que armazenem 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 controlada-NOT, entre dois qubits lógicos. Erros podem ocorrer durante a própria operação, e esses erros também devem ser corrigidos.
“Realizar uma operação lógica dessa maneira tolerante a falhas seria relativamente fácil se pudéssemos mover nossos qubits e conectá-los arbitrariamente uns aos outros”, diz Kerschbaum. Nos processadores quânticos supercondutores, no entanto, os qubits estão fixos no lugar. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita como as operações podem ser realizadas.
Dividindo o Quadrado com Cirurgia de Rede
Para trabalhar dentro dessas restrições, a equipe recorreu a um método conhecido como cirurgia de rede. Em seu experimento, os pesquisadores começaram com um único qubit lógico codificado em dezessete qubits físicos. Os qubits de dados e os estabilizadores foram dispostos em um padrão aproximadamente quadrado. Ao longo de vários ciclos, os estabilizadores foram medidos a cada 1,66 microssegundos para corrigir tanto mudanças de bit quanto de fase.
Em um momento-chave, três qubits de dados que atravessavam o centro do quadrado foram medidos. Este passo efetivamente dividiu o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições dos estabilizadores do tipo X foram pausadas.
“O resultado final dessa operação foi que tínhamos dois qubits lógicos entrelaçados um com o outro”, explica Besedin. Durante o processo de divisão, as correções de erros de mudança de bit continuaram a ser executadas. Depois, a correção de erros de mudança de bit foi retomada independentemente em cada metade. Embora esta operação ainda não produza uma porta controlada-NOT por si só, ela pode ser combinada com etapas adicionais de divisão e fusão para criar uma.
Um Primeiro para Qubits Supercondutores
“Pode-se dizer que a operação de cirurgia de rede é a operação, e todas as outras podem ser construídas a partir dela”, diz Besedin.
Ele acrescenta: “Pelo que sabemos, esta é a primeira vez que a cirurgia de rede foi realizada em qubits supercondutores”, e continua: “ainda temos um longo caminho a percorrer. Por exemplo, seriam necessários 41 qubits físicos para tornar a operação de divisão em um qubit lógico estável também contra mudanças de fase. No entanto, esta demonstração de cirurgia de rede em qubits supercondutores representa um passo importante em direção ao ambicioso objetivo de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits.