Resumo interno:
- A pesquisa da Q-CTRL mostra que o uso de primitivas QEC sem codificação lógica pode reduzir erros em sistemas quânticos e, ao mesmo tempo, exigir menor sobrecarga em comparação aos métodos tradicionais.
- Os pesquisadores produziram um circuito Greenberger-Horne-Zeilinger de 75 qubits, o maior relatado até agora, usando apenas nove qubits auxiliares.
- O novo protocolo alcançou uma confiabilidade de porta de mais de 85% para todos os 40 locais da rede sem qubits auxiliares adicionais e mostra taxas de descarte reduzidas em comparação com outros métodos.
- Ao combinar primitivas QEC com supressão de erros, o estudo apresenta uma estratégia híbrida que equilibra a mitigação de erros com requisitos de recursos eficientes, tornando-a potencialmente altamente aplicável aos processadores quânticos da geração atual.
Os sistemas quânticos são inerentemente frágeis e os qubits são propensos a erros causados por ruído natural, desempenho de controle imperfeito e condições de hardware não ideais. Para piorar a situação, esses erros podem se acumular ao longo do tempo e ameaçar efetivamente a confiabilidade dos cálculos quânticos. A correção quântica de erros é frequentemente citada como uma chave importante para desbloquear todo o potencial da computação quântica. Contudo, sua implementação nos atuais processadores quânticos é dificultada por grandes requisitos, com medições de até 1000 qubits virtuais por qubit lógico. Esta limitação gerou interesse no desenvolvimento de outros métodos, como redução de erros e otimização de hardware, para alcançar uma redução realista de erros. Um artigo recente publicado no arXiv e liderado por Q-CTRL explora como os primitivos QEC – componentes-chave dos protocolos de correção de erros – podem ser usados de forma eficiente sem lógica de codificação para obter os benefícios da correção de erros, ao mesmo tempo que exige mais do assunto.
Restrições da codificação lógica
A codificação lógica, central no QEC tradicional, é projetada com o objetivo de detectar e corrigir erros durante o cálculo. Contudo, a sobrecarga necessária para esta implementação é limitada a dispositivos de curto prazo. Segundo o estudo, o teste de detecção de erros após a seleção de poucos qubits lógicos pode rejeitar mais de 99,9% dos resultados, o que demonstra grande necessidade de recursos. Essa sobrecarga adiciona outro grande obstáculo para usuários que têm acesso limitado ao hardware quântico devido a restrições de custo ou tempo. Portanto, os pesquisadores recorreram a técnicas menos intensivas em recursos, como supressão de erros em nível de porta, algoritmos anti-ruído e redução de erros quânticos, para enfrentar o desafio.
Infelizmente, estas alternativas, embora eficazes na redução de certos tipos de erros, não podem reduzir todos os tipos de ruído computacional, com erros Markovianos como sub-rotação e sub-rotação observados no estudo. Esta lacuna traz à luz a necessidade de soluções que equilibrem a redução de erros com requisitos de recursos realistas.
Avanços experimentais na detecção de erros
A equipe Q-CTRL desenvolveu um novo método de redução de erros que combina várias medidas de estabilização e supressão de erros para produzir grandes estados de Greenberger-Horne-Zeilinger, estados quânticos altamente emaranhados que são importantes para tarefas que envolvem correção de erros. Usando apenas nove qubits auxiliares, eles produziram com sucesso um estado GHZ de 75 qubits que exibe um verdadeiro emaranhamento multicomponente, o maior de todos os relatados até o momento, conforme observado no estudo.
Como a persistência é um recurso importante para tarefas como correção de erros e comunicação segura, este resultado é muito relevante para aplicações de computação quântica. O verdadeiro emaranhamento multicomponente, verificado por métricas como o emaranhamento quântico múltiplo, demonstra um nível de controle sobre sistemas quânticos que anteriormente se pensava ser inatingível para dispositivos de curto prazo.
Além disso, seu protocolo alcançou maior confiabilidade em comparação com outras técnicas baseadas em aproximação, mantendo a confiabilidade da porta de mais de 85% para todos os 40 locais da rede sem a introdução de qubits auxiliares adicionais. A redução da taxa de desperdício – cerca de 78% da maior região do GHZ – é uma melhoria significativa em relação aos métodos tradicionais, confirmando ainda mais a eficácia deste método.
Uma perspectiva comparativa sobre técnicas de redução de erros
O estudo coloca suas descobertas no campo mais amplo das técnicas de redução de erros, fornecendo detalhes sobre como os precursores de QEC diferem e complementam os métodos existentes. A redução quântica de erros, por exemplo, depende do pós-processamento para estimar resultados livres de ruído, mas não corrige erros durante o cálculo. Melhorias no nível de hardware, como a redução das taxas de erro de porta, melhoraram o desempenho do dispositivo, mas permanecem limitadas pelas limitações tecnológicas atuais.
Em contraste, a integração de primitivos QEC em qubits não codificados traz detecção de erros em tempo real, levando a um melhor poder computacional sem codificação lógica completa. Esta estratégia híbrida combina capacidades de supressão de falhas ao mesmo tempo que minimiza as suas limitações, potencialmente trazendo à tona a computação confiável à medida que trabalhamos em direção à visão de longo prazo de um computador quântico tolerante a falhas.
Pesando os benefícios e limitações
Embora os resultados sejam promissores, eles certamente apresentam limitações. Os protocolos exigem projetos de circuito otimizados e são sempre sensíveis a certos tipos de erros, como inversões de bits estocásticas. Além disso, a escala linear da profundidade do circuito com o comprimento do caminho de comunicação pode limitar a aplicabilidade destes métodos em grandes sistemas.
No entanto, isso não diminui o fato de que, ao mostrar que melhorias computacionais são alcançáveis com sobrecarga modesta, a pesquisa fornece um ponto de partida que pode usar com sucesso os processadores quânticos da geração atual. As primitivas QEC, usadas estrategicamente, podem melhorar o desempenho de processadores quânticos supercondutores sem a sobrecarga associada à codificação lógica completa.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Haoran Liao, Gavin S. Hartnett, Ashish Kakkar, Adrian Tan, Michael Hush, Pranav S. Mundada, Michael J. Biercuk e Yuval Baum.
