Corrida para corrigir erros quânticos

Os computadores quânticos só serão verdadeiramente úteis quando puderem corrigir seus próprios erros. Essa é possivelmente a maior barreira para que a tecnologia se torne realmente útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar no horizonte.

Erros também aparecem nos computadores tradicionais, mas há técnicas consolidadas para corrigi-los. Elas se baseiam em redundância, onde bits extras são usados para detectar quando 0s viram 1s por engano ou vice-versa. No mundo quântico, porém, o desafio é muito maior.

As leis da mecânica quântica proíbem a duplicação de informação dentro de um computador quântico. Por isso, a redundância deve ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – e usando fenômenos que só existem no ambiente quântico, como quando partículas ficam ligadas pelo emaranhamento quântico. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos e descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é importante para determinar como eliminar erros.

Um aumento recente no progresso deixou os pesquisadores otimistas. Robert Schoelkopf, da Universidade de Yale, diz que é um momento muito animador na correção de erros, pois pela primeira vez a teoria e a prática estão realmente se encontrando.

Um dos obstáculos para a correção de erros quânticos tem sido a necessidade de um número grande de qubits para formar um qubit lógico, o que torna o computador quântico caro e difícil de construir. Mas Xiayu Linpeng, da Academia Internacional de Quântica na China, e sua equipe demonstraram recentemente que isso não precisa ser assim.

Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que comete menos erros e pode sinalizar automaticamente um erro quando ele ocorre. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados por emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros sorrateiros.

A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computador quântico podem ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas, com alguns erros ocorrendo apenas uma vez em um milhão de manipulações de qubit.

Proteção adicional contra erros

Mesmo que abordagens como essa capturem muitos erros, computadores quânticos úteis precisarão conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns ainda vão aparecer. Por isso, Arian Vezvaee da startup Quantum Elements e seus colegas testaram uma forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar uma capa de chuva debaixo de um guarda-chuva.

A ideia principal é não deixar nenhum qubit ocioso por muito tempo, pois isso faz com que ele perca suas propriedades quânticas especiais e se corrompa. A equipe mostrou que dar “chutes” extras de radiação eletromagnética a qubits ociosos pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos até hoje.

A fórmula exata de como combinar qubits físicos em lógicos importa muito para alguns dos cálculos mais precisos, como David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas descobriram ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível de uma molécula de hidrogênio. Lá, a precisão necessária é tão alta que métodos básicos de correção de erro não são suficientes.

James Wootton da startup Moth Quantum diz que essa inovação em programas de correção de erros será importante para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos. Segundo ele, ainda estamos em uma fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as partes da correção de erros se encaixam. Os computadores quânticos ainda não podem operar de forma eficaz sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecendo.

O desenvolvimento de computadores quânticos práticos depende da superação contínua do desafio dos erros. Pesquisas em todo o mundo seguem testando novas arquiteturas de qubits, materiais e protocolos de correção. A colaboração entre academia e indústria tem acelerado a transição de conceitos teóricos para demonstrações práticas em hardware real. A evolução nessa área é rápida, com novos resultados sendo publicados frequentemente, indicando um caminho promissor para tornar a computação quântica uma ferramenta confiável no futuro.