Corrida para resolver desafio quântico

Os computadores quânticos não serão realmente úteis até que possam corrigir seus próprios erros. Essa é provavelmente a maior barreira para a tecnologia se tornar de fato útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar próxima.

Erros também aparecem nos computadores tradicionais, mas há técnicas bem estabelecidas para corrigi-los. Elas se baseiam na redundância, onde bits extras são usados para detectar quando os valores 0 trocam para 1, ou vice-versa. No mundo quântico, porém, isso é muito mais desafiador.

As leis da mecânica quântica proíbem que a informação seja duplicada dentro de um computador quântico. Por isso, a redundância precisa ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits, que são os blocos fundamentais dessas máquinas, 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. Descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é importante para determinar como eliminar os erros. Um aumento recente no progresso tem deixado os pesquisadores otimistas. Robert Schoelkopf, da Universidade de Yale, diz que é um momento muito animador na correção de erros e que, pela primeira vez, teoria e prática estão se encontrando.

Um dos obstáculos para a correção de erros quânticos tem sido o grande número de qubits físicos necessários para criar um único qubit lógico. Isso torna o computador quântico caro e difícil de construir. No entanto, Xiayu Linpeng e sua equipe na Academia Internacional de Quântica da China mostraram 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. Esse qubit comete menos erros e pode automaticamente sinalizar quando um erro acontece. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados via emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros ocultos.

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

Embora essas abordagens capturem muitos erros, computadores quânticos úteis precisarão conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns erros ainda vão escorregar. Por isso, Arian Vezvaee da startup Quantum Elements e seus colegas testaram uma forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos.

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

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

Para James Wootton da startup Moth Quantum, inovações em programas de correção de erros serão determinantes para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos. Ele afirma que ainda estamos em uma fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as peças 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 surgirem.

O progresso na área segue em múltiplas frentes, envolvendo tanto avanços teóricos quanto experimentais práticos em laboratórios ao redor do mundo. A colaboração entre universidades e empresas privadas tem sido frequente, acelerando a transição do conhecimento básico para aplicações técnicas. O caminho para uma computação quântica prática e confiável ainda é longo, mas cada descoberta nesse sentido é um passo importante para o futuro da tecnologia.