Dentro brevemente
- A nova estrutura de correção de erros Google Quantum AI da LUCI melhora a tolerância a falhas em computadores quânticos, alternando circuitos para lidar com qubits e acopladores defeituosos, alcançando uma redução de 36x nas taxas de erros lógicos em comparação com os métodos existentes.
- LUCI mantém uma distância semelhante ao espaço dos circuitos de correção de erros, reduzindo o número de qubits necessários em 25%, o que é fundamental para a construção de sistemas quânticos incontroláveis, apesar das imperfeições de hardware.
- Embora o LUCI introduza algumas compensações, como reduzir pela metade a mesma distância do tempo, sua flexibilidade e eficiência fazem dele um passo importante em direção a um computador quântico mais confiável.
Os pesquisadores do Google Quantum AI relatam que uma nova estrutura de correção de erros – que eles chamam de LUCI para os diagramas em forma de L, U, C e I usados na estrutura – pode ajudar a resolver um desafio importante na medição de computadores quânticos. : uma forma de manter a tolerância a falhas em sistemas onde alguns qubits e acopladores – componentes-chave da computação quântica – estão com defeito.
De acordo com um artigo recente publicado no ArXiv, o processo LUCI oferece uma maneira flexível de construir circuitos quânticos que podem se adaptar a essas imperfeições, ou “descontinuidades”. Os pesquisadores dizem que o LUCI melhora significativamente as taxas de erro e, ao mesmo tempo, reduz o número de qubits necessários, tornando-o pelo menos um passo em direção a um computador quântico de última geração.
A correção quântica de erros é crítica para o desenvolvimento de grandes computadores quânticos, relata a equipe. Esses computadores, quando totalmente realizados, eram capazes de realizar cálculos inatingíveis por computadores de última geração.
No entanto, os pesquisadores escreveram que os computadores quânticos enfrentam um grande problema: os qubits, as unidades básicas da computação quântica, são muito propensos a erros. Os qubits físicos precisam ser agrupados em qubits lógicos usando códigos de correção de erros para evitar o acúmulo e o colapso de erros. As arquiteturas quânticas atuais podem exigir milhares de qubits físicos apenas para formar um único qubit lógico, um número que torna os sistemas de medição quântica complexos e caros.
A estrutura LUCI aborda um obstáculo importante para a correção de erros quânticos: a presença de qubits e acopladores defeituosos ou temporariamente inativos, conhecidos como “dropouts”. Em arquiteturas de estado sólido, como os processadores quânticos Sycamore do Google e Zuchongzhi do USTC, erros artificiais podem desabilitar certos qubits ou acopladores, enquanto erros transitórios, como aqueles causados por sistemas de dois níveis à deriva (ou TLSs, que são defeitos quânticos alternando entre os dois . energia inesperadamente), pode degradar o desempenho ao longo do tempo. A abordagem da LUCI para este problema é adaptar dinamicamente os circuitos de correção de erros em torno desses erros, permitindo que o sistema continue a funcionar corretamente, apesar da presença de valores discrepantes.
De acordo com o artigo do ArXiv, o LUCI é uma grande melhoria em relação aos métodos existentes de gerenciamento de abandono escolar. Com uma taxa de abandono de 1% (incluindo abandonos qubit e minoritários) e uma largura de patch de 15, o LUCI atinge uma classificação de “distância semelhante ao espaço” de 13,1, em comparação com 9,1 para as técnicas mais populares. A distância semelhante a um intervalo refere-se à distância mínima que um operador lógico deve percorrer em um circuito quântico antes que ocorra um erro, e uma distância maior corresponde a uma melhor tolerância a falhas.
Em termos práticos, os investigadores sugerem que a melhoria se traduz numa redução de 36 vezes na taxa média de erro lógico por ronda em comparação com os métodos anteriores. À medida que o desempenho do dispositivo melhora, esse recurso pode se expandir ainda mais.
Código longo e ventoso
A estrutura LUCI funciona construindo circuitos quânticos a partir de circuitos flexíveis, cada um dos quais começa e termina com um código local “em ciclo”, um conhecido código quântico de correção de erros. O código de superfície é amplamente utilizado porque pode corrigir erros de inversão de bits e de inversão de fase, que são comuns em sistemas quânticos. No LUCI, os circuitos são construídos usando uma linguagem visual conhecida como diagramas LUCI, que mostram como são feitas as medições de estabilidade para cada circuito. Esses diagramas permitem que o circuito se adapte dinamicamente à presença de resistores, garantindo que todos os componentes críticos estejam equilibrados, mesmo que os componentes do sistema estejam com defeito.
Uma das principais vantagens do LUCI é a sua capacidade de manter uma distância semelhante ao espaço, minimizando ao mesmo tempo o impacto de objetos quebrados. Ao contrário dos métodos convencionais de correção de erros, que podem sacrificar vários qubits ou acopladores para lidar com um único erro, o LUCI faz o uso mais eficiente dos recursos disponíveis, trabalhando em áreas danificadas sem reduzir significativamente o desempenho geral.
Os pesquisadores observam que, com a mesma taxa de abandono, o LUCI requer cerca de 25% menos qubits físicos para atingir taxas de erro de um milhão em blocos de código lógico. Esta redução na sobrecarga de qubit é uma grande vantagem para a medição de sistemas quânticos, pois reduz os requisitos de hardware para obter uma correção eficiente de erros quânticos.
Embora o LUCI apresente melhorias significativas na gestão do abandono escolar, apresenta algumas compensações. A estrutura alcança suas vantagens sobre a distância semelhante ao espaço, reduzindo a “distância semelhante ao tempo”, uma medida relacionada à estabilidade temporal de uma função quântica. A distância temporal refere-se ao comprimento mínimo que um operador lógico deve percorrer no domínio do tempo antes de gerar um erro.
Embora o LUCI reduza essa distância, os pesquisadores argumentam que os benefícios da distância semelhante ao espaço superam os custos, especialmente em ambientes com baixas falhas, onde a distância semelhante ao espaço é o fator mais importante para a tolerância a falhas.
Os pesquisadores testaram o desempenho do LUCI usando simulações de circuitos quânticos com diferentes taxas de abandono e modelos de ruído. Eles compararam o LUCI com outros métodos bem conhecidos, como o método Auger/Bandage e o método Strikis/Brown. As simulações foram realizadas usando a arquitetura de processador Sycamore do Google e o decodificador leve correspondente, que ajuda a identificar e corrigir erros de forma eficiente em sistemas quânticos. Os resultados mostraram que o LUCI superou ambos os métodos em termos de distância e taxas de erro lógico. No caso de uma taxa de abandono de 1%, o LUCI alcançou uma melhoria de 25x na taxa de erro lógico por rodada em comparação com outros métodos.
O artigo observa que essa vantagem de desempenho se reflete ainda mais em taxas mais baixas de erros físicos, o que é esperado à medida que o hardware quântico melhora.
Você está dizendo que deseja uma reforma?
A flexibilidade do design do circuito do LUCI é um dos seus maiores pontos fortes, segundo os pesquisadores. A estrutura pode lidar não apenas com valores discrepantes, mas também com grupos de erros, que são muito difíceis de tratar usando métodos tradicionais. Ao ajustar dinamicamente o posicionamento de qubits e acopladores, o LUCI pode manter alta tolerância a falhas, mesmo em sistemas com distribuição desigual de falhas. Essa adaptabilidade é importante para futuros computadores quânticos, que podem enfrentar uma variedade de imperfeições de hardware à medida que se desenvolvem.
Quando LUCI precisa de uma ajudinha
Os pesquisadores concordam que a escala de tempo reduzida da técnica pode apresentar desafios para certos tipos de operações quânticas, especialmente aquelas que dependem de estabilidade a longo prazo. Além disso, os circuitos LUCI requerem calibração mais complexa do que um circuito de código local padrão, o que pode aumentar a sobrecarga em aplicações práticas.
Apesar destes desafios, os investigadores esperam que as vantagens do LUCI na distância semelhante ao espaço e a eficiência do qubit superem as suas desvantagens em muitas aplicações de computação quântica.
Olhando para o futuro, os investigadores planeiam explorar várias formas de melhorar o LUCI. Uma área de foco é melhorar o algoritmo usado para gerar diagramas LUCI, com o objetivo de reduzir ainda mais a sobrecarga de qubit necessária para correção de erros. Outra área de desenvolvimento potencial é a integração do LUCI com outras técnicas avançadas de correção quântica de erros, como shells e decodificadores integrados. Os pesquisadores também pretendem estender as capacidades do LUCI para operações de portas lógicas, como operações de rede, que permitirão cálculos quânticos complexos, mantendo ao mesmo tempo a tolerância a erros.
No longo prazo, a LUCI poderia desempenhar um papel no desenvolvimento de processos quânticos tolerantes a falhas que não dependem de códigos de correção de erros predefinidos. Os pesquisadores sugerem que a flexibilidade do LUCI o torna um passo potencial em direção à correção quântica de erros de código, onde os circuitos são ajustados dinamicamente para lidar com erros em tempo real. Esta ideia, embora teórica, poderia levar a sistemas quânticos robustos que podem operar de forma eficaz mesmo na presença de imperfeições significativas de hardware.
A equipe de pesquisa do Google Quantum AI inclui: Dripto M. Debroy, Matt McEwen, Craig Gidney, Noah Shutty e Adam Zalcman.
