Os computadores quânticos têm o potencial de transformar indústrias que vão desde a ciência dos materiais até à criptografia, mas hoje continuam a ser extremamente complexos de construir e operar. Um dos maiores problemas tem a ver com a decoerência, o processo que introduz erros nos sistemas quânticos. Esses erros geralmente assumem a forma de inversões de bits ou inversões de fase. Uma inversão de bit ocorre quando um qubit alterna inesperadamente entre “0” e “1”. Uma inversão de fase ocorre quando a fase da superposição quântica muda repentinamente, passando de positiva para negativa.
Como essas alterações podem ocorrer aleatoriamente, mesmo um único erro pode atrapalhar o cálculo. Prevenir esta interrupção é um dos principais desafios enfrentados pelos engenheiros quânticos.
Proteção de informações usando 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 permitem a computação quântica.
Aplicar essas operações sem introduzir novos erros revelou-se muito mais difícil do que simplesmente manter os qubits estáveis em repouso.
Uma nova maneira de calcular durante a correção de erros
Uma equipe liderada pelo professor Andreas Wallraff do D-PHYS demonstrou um método que aborda diretamente esse problema. Trabalhando com pesquisadores do Instituto Paul Scherer (PSI) e teóricos liderados pelo professor Markus Müller da RWTH Aachen University e Forschungszentrum Jülich, a equipe mostrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros. Seus resultados foram publicados recentemente em Física da natureza.
O trabalho marca um avanço importante em direção à computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem continuar sem serem interrompidos por erros permanentes.
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 um for invertido, a votação da maioria mostra o valor correto. Esta abordagem não funciona em sistemas quânticos.
“Com qubits, as coisas são muito mais complicadas”, diz o Dr. Ilya Byesedin, pós-doutorado no grupo de Wallraff e um dos principais autores do estudo, juntamente com o estudante de graduação Michael Kerschbaum. A informação quântica não pode ser copiada ou clonada. Em vez disso, ele deve ser distribuído pelos qubits emaranhados. Além disso, os sistemas quânticos sofrem de erros de reversão de fase que não têm equivalente na computação clássica e requerem métodos de correção próprios.
Correções de bugs com códigos de superfície
Uma solução amplamente utilizada envolve códigos de superfície. Nesta abordagem, as informações sobre um único qubit são espalhadas por vários qubits de dados físicos. A detecção de erros depende de medições repetidas de estabilizadores que trabalham em conjunto com qubits de dados para formar um qubit lógico.
Esses estabilizadores são controlados por qubits adicionais conectados aos qubits de dados. Sua medição indica se ocorreu uma mudança de bit ou de fase entre as verificações. Os estabilizadores do tipo Z detectam alterações no valor dos bits, enquanto os estabilizadores do tipo X detectam alterações de fase. É importante notar que os próprios qubits de dados nunca são medidos diretamente, permitindo-lhes armazenar com segurança o seu estado quântico corrigido.
O problema de realizar operações lógicas
O processo se torna mais complicado quando os pesquisadores desejam aplicar uma operação lógica, como uma porta NOT controlada, entre dois qubits lógicos. Podem ocorrer erros durante a própria operação e esses erros também devem ser corrigidos.
“Realizar uma operação lógica de forma tão tolerante a falhas seria relativamente simples se pudéssemos mover nossos qubits e conectá-los uns aos outros arbitrariamente”, diz Kerschbaum. No entanto, em processadores quânticos supercondutores, os qubits são fixos. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita a possibilidade de realizar operações.
Quadrado dividido com cirurgia em treliça
Para trabalhar dentro dessas restrições, a equipe recorreu a uma técnica conhecida 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 formato quase quadrado. Ao longo de vários ciclos, os estabilizadores foram medidos a cada 1,66 microssegundos para corrigir inversões de bits e de fase.
Num momento chave, três qubits de dados foram medidos passando pelo centro do quadrado. Esta etapa dividiu efetivamente o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições dos estabilizadores do tipo X foram suspensas.
“O resultado final desta operação foi que tínhamos dois qubits lógicos emaranhados”, explica Besedin. Erros de inversão de bits continuaram a ser corrigidos durante o processo de particionamento. Depois disso, a correção de erros de reversão foi retomada de forma independente em cada semestre. Embora esta operação ainda não produza uma porta NO controlada, ela pode ser combinada com etapas adicionais de divisão e fusão para produzir uma.
O primeiro para qubits supercondutores
“Pode-se dizer que a cirurgia em treliça é uma operação e todas as outras podem ser construídas a partir dela”, diz Byesedin.
Ele acrescenta: “Até onde sabemos, esta é a primeira vez que uma operação de rede foi realizada em qubits supercondutores”, acrescenta, “e ainda temos um longo caminho a percorrer”. Por exemplo, seriam necessários 41 qubits físicos para tornar a operação de divisão de um qubit lógico estável contra a reversão de fase. Ainda assim, esta demonstração da operação da rede em qubits supercondutores marca um passo importante em direção ao ambicioso objetivo de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits.
