Os computadores quânticos só serão verdadeiramente úteis quando puderem corrigir seus próprios erros.
Os computadores quânticos já são uma realidade, mas eles cometem muitos erros. Este é possivelmente o maior obstáculo para que a tecnologia se torne realmente útil, mas descobertas recentes sugerem que uma solução pode estar a caminho.
Erros também aparecem nos computadores tradicionais, mas há técnicas consolidadas para corrigi-los. Elas dependem de redundância, onde bits extras são usados para detectar quando os números 0 trocam incorretamente para 1 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. Portanto, a redundância deve ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – e utilizando fenômenos que só existem em ambientes quânticos, como quando pares de partículas se tornam ligadas via 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 erros.
Um avanço recente deixou os pesquisadores otimistas. É um momento muito animador na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão realmente entrando em contato, diz Robert Schoelkopf da Universidade de Yale.
Um dos entraves para a correção de erros quânticos tem sido o grande número de qubits necessários para fazer um qubit lógico. Isso 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. Esse qubit 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 computação quântica poderiam ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas. Alguns erros ocorreram tão raramente quanto uma vez em um milhão de manipulações de qubits.
Embora abordagens como essa capturem muitos erros, computadores quânticos úteis terão que 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 um casaco de chuva sob 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 àqubits ociosos “chutes” extras de radiação eletromagnética pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos até hoje.
A receita exata de como combinar qubits físicos em lógicos realmente importa para alguns dos cálculos mais precisos. Foi o que David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas descobriram ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. Lá, a precisão necessária é tão alta que métodos básicos de correção de erros não são suficientes.
Essa inovação em programas de correção de erros será importante para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, diz James Wootton da startup Moth Quantum. 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 efetivamente sem erros, mas estamos começando a ver as bases de engenharia disso aparecerem, afirma ele.
O campo da correção de erros continua a evoluir rapidamente, com grupos de pesquisa em todo o mundo explorando diferentes arquiteturas de qubits. Além dos qubits supercondutores, há estudos com íons aprisionados e defeitos em diamante, cada um com seus próprios desafios técnicos para implementar a correção. A escalabilidade é uma questão central, pois sistemas maiores introduzem mais complexidade e fontes potenciais de ruído. A integração entre hardware e software também é um ponto de atenção, com algoritmos sendo desenvolvidos para funcionarem de forma mais eficiente em arquiteturas tolerantes a falhas. O progresso nessa área é visto como um passo indispensável para realizar o potencial prometido pela computação quântica em química, ciência de materiais e criptografia.
