Dentro brevemente
- A destilação de um estado mágico permanente do Universal Quantum facilita a correção de erros, produzindo qubits confiáveis de forma mais rápida e eficiente, independentemente do tamanho da configuração do qubit.
- Novos protocolos de destilação (7 para 1 e 15 para 1) alcançam altos níveis de supressão de erros, potencialmente tornando campos lentos, como qubits de íons aprisionados, competitivos com qubits supercondutores.
- As direções futuras incluem experimentos do mundo real e integração com novas técnicas quânticas de correção de erros, como implantação de estado mágico.
A Universal Quantum anunciou antecipadamente em um comunicado de imprensa a pesquisa sobre correção de erros quânticos e o que a equipe chama de destilação do estado mágico do tempo contínuo, e acrescentou que isso poderia tornar a computação quântica mais rápida, mais viável e, em última análise, mais perigosa.
No estudo, agora disponível no arXiv, os pesquisadores descrevem um método que permite a produção rápida de qubits confiáveis, uma etapa necessária para uma computação quântica eficiente e tolerante a falhas.
A pesquisa visa diretamente o cerne do maior obstáculo da computação quântica – os erros. Os computadores quânticos são muito sensíveis a ruídos, ou pequenos erros em bits quânticos (qubits), que comprometem a confiabilidade do computador, segundo comunicado da empresa. Para reduzir esses erros, são utilizados métodos quânticos de correção de erros, como a “destilação de estado mágico” – que descreveremos a seguir.
O que é destilação de estado mágico?
A destilação de estado mágico é um processo importante para controlar o ruído e garantir que as portas quânticas, especialmente as “portas T”, operem com precisão. A porta T é uma porta não-Clifford, importante para a computação quântica universal, mas difícil de implementar com alta fidelidade. Ao contrário de outras portas, as portas T não podem ser usadas transversalmente em uma matriz qubit, o que as torna capazes de introduzir ruído. A destilação de estado mágico resolve isso usando múltiplas cópias imperfeitas do “estado mágico” – um qubit especialmente configurado – para produzir uma versão única e de alta fidelidade adequada para operação precisa de porta T. O processo é semelhante à filtragem de vários sinais ruidosos para produzir um resultado claro, o que é importante para tarefas que exigem cálculos rigorosos.
A destilação de estado mágico tradicional consome muitos recursos e é lenta, exigindo muitos ciclos para purificar qubits, removendo-os de estados “defeituosos” para qubits de alta qualidade. Nestes métodos, a escala da destilação do estado mágico com a distância do código – ou, o número de qubits envolvidos na correção de erros, que requer cerca de seis vezes a distância do código (6d) no “ciclo de código” – as unidades de tempo necessárias para cada etapa do processo de digestão.
No entanto, a pesquisa Universal Quantum apresenta uma versão constante do tempo deste processo. O protocolo ignora os limites de tempo vinculados aos métodos convencionais, reduzindo o tempo de ciclo a um valor constante, independentemente do tamanho da configuração do qubit. Os pesquisadores escrevem que esta destilação permanente permite que dispositivos quânticos operem em velocidades muito melhores, o que é de grande benefício para plataformas como íons aprisionados, que historicamente têm sido desacelerados por ciclos de código lentos em comparação com outras arquiteturas quânticas. A destilação quântica universal em tempo contínuo é obtida usando uma variável iterativa CNOT (ou NOT controlado – um tipo de porta quântica que funciona bem em situações de correção de erros), uma configuração de circuito que usa comunicação direta de qubit para manter a supressão de erros sem aumentar o tempo complexidade. .
Abordagem Técnica e Resultados
A pesquisa centra-se em duas configurações de circuitos de destilação – o protocolo 7 para 1 e o protocolo 15 para 1 – que extraem respectivamente um qubit de alta qualidade de sete ou quinze qubits de baixa qualidade. Esses circuitos são construídos usando arquitetura de código de superfície, um método popular de computação quântica tolerante a falhas. Conforme mencionado, cada protocolo implementa uma porta cruzada CNOT com etapas de verificação de erros associadas e uso do estado de recursos. Ao analisar repetidamente os estados do qubit, o Universal Quantum atinge altos níveis de supressão de erros. De acordo com este artigo, isso significa que o erro é significativamente reduzido a cada ciclo de destilação, apoiando a computação quântica em grande escala, reduzindo as taxas de erro a níveis gerenciáveis.
Simulações numéricas confirmam que este método de tempo constante pode alcançar uma supressão eficaz de erros, marcando uma melhoria significativa em relação aos requisitos do ciclo convencional. Ao remover a dependência do intervalo de código, a equipe da Universal Quantum, que está entre as empresas que exploram como fazer um computador quântico confinado, diz que seu processo pode levar as taxas de erro de qubit a uma faixa competitiva com qubits supercondutores, mesmo para partículas de movimento lento. como íons presos. e átomos neutros, abrindo possibilidades para uso universal em todas as plataformas de computação quântica.
Limitações e direções futuras
O Mecanismo Quântico Universal provavelmente enfrentará mais investigações. A investigação baseia-se em modelos de simulação e não em aplicações físicas, o que significa que as taxas de erro reais que podem ser alcançadas num cenário do mundo real ainda não foram confirmadas. Embora os modelos teóricos prevejam melhorias significativas, fatores como imperfeições de hardware, erros de comunicação e inconsistências operacionais podem impactar o desempenho desta abordagem.
As direções futuras para esta pesquisa provavelmente se concentrarão na aplicação desses princípios de destilação a sistemas quânticos reais para verificar simulações. Uma área importante a ser melhorada é a integração de modelos de erros específicos de hardware, que levam em conta variações na conectividade e na confiabilidade do gateway. Além disso, os pesquisadores observam que a capacidade de medir Y “no local” pode melhorar o desempenho e a precisão dos protocolos 7 para 1 e 15 para 1, melhorando potencialmente a eficiência da destilação. A Universal Quantum também está preparando uma análise dos efeitos do erro de acoplamento de qubit em longas distâncias, o que pode ser muito importante na expansão desta tecnologia para grandes processadores quânticos.
Outra consideração importante é como esses protocolos de tempo constante podem ser adaptados a novos métodos de correção quântica de erros, como o cultivo de um estado mágico. Trabalhos recentes nesta área sugerem que circuitos mágicos implantados podem produzir uma fidelidade muito maior, reduzindo potencialmente a necessidade de controladores multiníveis totalmente integrados. No entanto, muitos algoritmos ainda exigem altas “contagens T” (o número de portas T por cálculo), o que requer um maior desenvolvimento de técnicas de extração mágica de nível único.
O trabalho coloca a empresa em um momento crítico na correção quântica de erros, à medida que a demanda por computação quântica tolerante a erros está crescendo em diversos setores. Como a correção de erros tem sido historicamente um gargalo significativo na construção de computadores quânticos que podem resolver problemas complexos do mundo real, a capacidade de distribuir qubits de alta qualidade de forma mais eficiente poderia acelerar o progresso. Isso, por sua vez, poderá levar a avanços em campos como a criptografia, a descoberta de medicamentos e a modelação complexa, onde os computadores quânticos oferecem enormes vantagens sobre as máquinas clássicas.