Um teste de hardware para um problema difícil da computação quântica
Pesquisadores da Google Quantum AI demonstraram uma técnica chamada cultivo de estados mágicos no processador supercondutor Willow da empresa, relatando uma redução de 40 vezes nos erros dos estados quânticos preparados. O resultado, publicado na Science, é apresentado como o primeiro teste bem-sucedido da abordagem em hardware.
O trabalho aborda um obstáculo central da computação quântica: os qubits são frágeis. Diferentemente dos bits digitais convencionais, os bits quânticos podem ser perturbados pelo ambiente e por imperfeições no controle. Esses erros tornam extremamente difícil realizar cálculos confiáveis, especialmente as operações avançadas necessárias para computadores quânticos úteis e tolerantes a falhas.
O experimento se concentra nos “estados mágicos”, estados quânticos especialmente preparados para cálculos avançados. Produzir estados mágicos de alta qualidade é um grande desafio, pois mesmo um pequeno erro no estado pode comprometer um cálculo maior. O resultado do Google não elimina o desafio mais amplo da computação quântica tolerante a falhas, mas demonstra um caminho para melhorar um componente valioso em hardware real.
Da destilação ao cultivo
Uma forma conhecida de melhorar estados mágicos é a destilação de estados mágicos. Em termos gerais, a destilação filtra falhas dos recursos quânticos. Ela pode funcionar, mas exige muitos recursos: gerar um número menor de estados úteis pode requerer uma quantidade substancial de hardware e processamento.
O cultivo de estados mágicos é uma proposta diferente. Em vez de depender do mesmo tipo de filtragem intensiva em recursos, ele busca limpar um estado mágico ruidoso diretamente dentro de um qubit protegido. A proteção vem da codificação da informação quântica em vários qubits físicos, em vez de colocar tudo em um único componente vulnerável.
No experimento com Willow, a equipe começou deliberadamente com erros a serem corrigidos. Os pesquisadores codificaram um estado mágico ruidoso em uma pequena grade de qubits físicos. Depois, usaram qubits auxiliares para verificar se havia erros na informação codificada sem destruir os delicados dados quânticos.
Quando as verificações identificavam uma falha, aquela tentativa era descartada e o sistema começava novamente. Quando uma tentativa passava por todas as verificações, o estado mágico refinado era mantido para processamento posterior. Essa pós-seleção é importante: o método não afirma que todas as tentativas são bem-sucedidas. Em vez disso, busca identificar os casos em que o estado protegido desejado sobreviveu às verificações.
O que significa o número 40 vezes
Segundo os pesquisadores, o cultivo reduziu o erro por um fator de 40. Os estados mágicos aceitos alcançaram uma fidelidade de pelo menos cerca de 99,99%, uma medida de quão próximo o estado preparado está do estado pretendido.
Esse número também mostra por que a medição é um desafio nessa área. Se os erros restantes forem muito pequenos, provar que são pequenos exige uma verificação cuidadosa. A equipe desenvolveu uma técnica chamada tomografia de retrocesso para detectar os erros restantes com menos medições do que as exigidas pelas abordagens convencionais.
A filtragem foi seletiva. Apenas cerca de 8% das tentativas iniciais passaram por todas as verificações. Esse equilíbrio faz parte da questão prática relacionada ao cultivo: uma técnica pode melhorar muito a qualidade dos estados aceitos e ainda exigir tentativas repetidas. Portanto, a comparação relevante não é apenas a taxa de erro dos estados sobreviventes, mas o custo total de criar uma quantidade suficiente deles para um cálculo útil.
Por que os estados mágicos são importantes
Processadores quânticos conseguem realizar algumas operações de forma mais natural do que outras. Para as formas mais exigentes de computação quântica, os pesquisadores precisam de recursos cuidadosamente preparados que permitam ao sistema realizar as operações avançadas necessárias. Os estados mágicos são um desses recursos.
Como resultado, o custo de produzir estados mágicos confiáveis pode influenciar a escala e o design de uma futura máquina tolerante a falhas. Um método que crie estados melhores com menos recursos gerais poderia ser importante muito além de uma única demonstração de laboratório. Por outro lado, um resultado forte em um componente não estabelece, por si só, um computador quântico completo e tolerante a falhas. Em última análise, ele precisa funcionar junto com qubits confiáveis, detecção de erros, sistemas de controle e os demais elementos de uma arquitetura completa.
O resultado do Willow é notável porque aplica uma abordagem que ainda não havia sido testada com sucesso em hardware real às imperfeições de um processador supercondutor. O experimento, portanto, leva a ideia de uma opção teórica a um resultado de engenharia que pode ser avaliado diante das limitações do hardware.
Um marco com questões práticas ainda em aberto
O resultado relatado deve ser entendido como uma demonstração de uma ferramenta promissora, não como uma declaração de que a correção de erros quânticos foi resolvida. O experimento mostra que estados ruidosos protegidos podem ser filtrados e refinados, e que os estados aceitos resultantes podem apresentar um erro muito menor.
Sua importância está na combinação de desempenho de hardware e verificação. A equipe não apenas propôs que o cultivo deveria funcionar; ela codificou um estado ruidoso, usou qubits auxiliares para verificá-lo, descartou tentativas malsucedidas e mediu a qualidade dos estados que sobreviveram. O novo método de tomografia fez parte do processo de tornar essas medições viáveis no nível de erro relatado.
Na computação quântica, o progresso muitas vezes vem de avanços desse tipo no nível dos componentes. Uma preparação melhor de um recurso crítico pode mudar o equilíbrio de engenharia de sistemas maiores, mesmo quando muitos passos difíceis ainda permanecem. O resultado de 40 vezes da Google Quantum AI oferece evidências de que o cultivo de estados mágicos merece ser considerado ao lado de abordagens mais estabelecidas enquanto os pesquisadores trabalham rumo a uma computação quântica confiável.
Este artigo baseia-se em uma reportagem da Phys.org. Leia o artigo original.
Originally published on phys.org
