Dentro brevemente
- Uma equipe liderada pela Universidade de Zhejiang relata a combinação de uma técnica de redução de erros chamada extrapolação de ruído zero (ZNE) com circuitos lógicos de correção de erros de qubit, reduzindo erros residuais e avançando na computação quântica tolerante a erros.
- Os pesquisadores aplicaram o ZNE à iteração e rotação de código local em processadores supercondutores, demonstrando sua capacidade de suprimir erros lógicos e permanecer eficaz mesmo na correção de erros multi-round.
- Embora promissora, esta pesquisa destaca desafios como a escalabilidade do ZNE, o aumento dos custos computacionais e a dependência de modelagem precisa de ruído, enfatizando a necessidade de inovação contínua em hardware e métodos quânticos.
Uma equipe liderada pela Universidade de Zhejiang relata a combinação de uma técnica de redução de erros chamada extrapolação de ruído zero (ZNE) com circuitos de correção de erros de qubits lógicos, reduzindo efetivamente os erros residuais, de acordo com o estudo arXiv.
Ao alinhar qubits lógicos – que são unidades com correção de erros essenciais para sistemas quânticos – os pesquisadores conseguiram reduzir erros residuais, à medida que os circuitos aumentavam em complexidade. A equipe relata que as descobertas marcam um passo importante para tornar o computador quântico mais confiável e utilizável durante os estágios iniciais da computação quântica tolerante a falhas.
Reduzindo o erro de medições racionais
A computação quântica depende de qubits, que são notoriamente frágeis e propensos a erros de ruído inerentes. Qubits lógicos, compostos de vários qubits virtuais usando códigos de correção de erros, são projetados para suportar tal interferência. No entanto, mesmo os qubits lógicos são imperfeitos, e corrigir os seus erros residuais é essencial para que os computadores quânticos possam resolver problemas do mundo real.
Os pesquisadores deste estudo mostraram que o ZNE – um método originalmente desenvolvido para reduzir erros em qubits físicos – pode efetivamente suprimir erros lógicos em circuitos de correção de erros quânticos. ZNE funciona amplificando artificialmente o ruído em um circuito quântico e extraindo os resultados para revelar o comportamento de um circuito sem ruído. A técnica foi aplicada a circuitos usando iteração e codificação de superfície, duas técnicas de correção de erros amplamente utilizadas, relata a equipe.
A combinação de ZNE e correção de erros resultou em uma redução global de erros lógicos em todos os diversos circuitos quânticos. Os pesquisadores afirmam que essa técnica se manteve eficaz mesmo na correção de múltiplos erros, onde a profundidade da região e a complexidade aumentaram.
“Ao combinar técnicas de redução e correção de erros, esta pesquisa mostra uma maneira eficaz de preencher a lacuna entre a era quântica de escala intermediária de ruído (NISQ) e a era da computação quântica tolerante a falhas (FTQC), avançando na busca pelo desempenho da computação quântica . tecnologia”, escreveram os pesquisadores.
Construindo e Medindo
Os pesquisadores estão se concentrando em qubits lógicos porque se espera que esses qubits sejam a arquitetura de computadores quânticos tolerantes a falhas que podem resolver problemas que são computacionalmente impossíveis em sistemas clássicos. Em outras palavras, as aplicações na descoberta de medicamentos, criptografia e otimização dependerão da obtenção de funções quânticas confiáveis – e isso, muito provavelmente, dependerá da supressão de erros em qubits lógicos.
A depuração normal, embora poderosa, requer grandes recursos. Alcançar a tolerância a falhas apenas por meio da correção de erros exigiria milhões de qubits físicos por qubit lógico. Os atuais processadores quânticos ainda estão longe de atingir essa escala. Ao combinar técnicas de correção e redução de erros, como ZNE, os pesquisadores podem reduzir as demandas de recursos do qubit e tornar a computação quântica mais eficiente em um futuro próximo.
As descobertas também sugerem oportunidades para medir o ZNE. À medida que o tamanho do código de depuração aumenta (medido pela sua “distância”), a taxa de erro lógico diminui. Isto sugere que o ZNE pode ser aplicado com sucesso a circuitos complexos, tornando-o uma ferramenta eficaz para o desenvolvimento de computação quântica tolerante a falhas.
Amplificação de ruído para suprimir erros
Os pesquisadores conduziram seus experimentos em processadores supercondutores quânticos avançados. Embora não seja explicitamente declarado no estudo, esses processadores podem ter sido desenvolvidos internamente no Centro de Fabricação Micro-Nano pela equipe da Universidade de Zhejiang ou por seus colaboradores na China. Esses sistemas, com redes de qubits ajustáveis, estão entre as plataformas mais avançadas para correção experimental de erros e técnicas de minimização.
Como mencionado, mas com mais profundidade: a equipe amplificou o ruído em qubits virtuais com elementos controláveis e mediu os efeitos do circuito resultantes. Ao analisar como esses resultados mudaram com a potência do ruído, revelaram o comportamento do circuito na ausência de ruído. Esta abordagem baseia-se na suposição de que a relação entre a potência do ruído e o comportamento do circuito pode ser modelada por funções polinomiais simples – uma teoria que é confirmada por experimentos de pesquisa.
A equipe usou ZNE para códigos redundantes, que protegem qubits lógicos contra erros de inversão de bits, e códigos de superfície, que corrigem erros de inversão de bits e de inversão de fase. Em ciclos de código repetitivos de até 13 qubits, os pesquisadores observaram uma redução significativa nos erros. Para os circuitos de codificação acima, mostraram a eficácia do método na correção de ambos os tipos de erros, o que também mostra a versatilidade do ZNE.
Superando desafios na redução de erros lógicos
A pesquisa abordou vários desafios associados à aplicação do ZNE a qubits lógicos. A redução precisa de erros requer modelagem de ruído precisa e recursos computacionais adicionais para medir saídas de circuito em vários níveis de ruído. Esses requisitos podem consumir muito tempo, especialmente para circuitos grandes.
Outro desafio é a robustez da redução de erros. À medida que a complexidade do circuito aumenta, o impacto cumulativo dos erros aumenta e as técnicas de mitigação podem se tornar mais poderosas. No entanto, os pesquisadores descobriram que o ZNE permanece eficiente quando aplicado a qubits lógicos com baixas taxas de erro lógico – alcançável usando códigos de correção de erros de alta qualidade e hardware qubit moderno.
O estudo também mostrou que o desempenho do ZNE não se degrada significativamente em circuitos circulares de correção de erros, que são importantes para o desempenho da computação quântica eficiente. Esta robustez torna o ZNE um candidato promissor para integração em futuros sistemas de computação quântica.
Direções Futuras: Rumo a Sistemas Quânticos Confiáveis
A equipe reconheceu várias limitações que devem ser abordadas antes que a extrapolação de ruído zero (ZNE) e a correção de erros possam ser amplamente adotadas na computação quântica escalável. O principal desafio reside no próprio aumento do ZNE. Embora a técnica reduza efetivamente os erros em circuitos de pequeno porte, seu desempenho diminui à medida que a complexidade dos circuitos aumenta. Isto é especialmente verdadeiro quando o produto cumulativo das taxas de erro e o número de portas quânticas se torna significativo, levando a ineficiências na supressão de erros.
Outro obstáculo é o aumento do custo computacional do ZNE. O método requer o equilíbrio das saídas do circuito em vários níveis de ruído para produzir um resultado livre de ruído, o que aumenta bastante a amostragem. Para circuitos grandes ou profundos, esse custo adicional pode ser um gargalo, especialmente ao usar experimentos em hardware quântico com recursos limitados.
O método também é altamente dependente da produção sonora precisa. Se o comportamento do ruído do processador quântico não for bem caracterizado, o desempenho do ZNE diminui. Essa dependência de medições robustas de ruído ressalta a necessidade de melhorias adicionais no hardware quântico e nos métodos de medição.
Os pesquisadores relatam que, embora seus métodos tenham alcançado uma redução significativa nos erros, os erros residuais permaneceram. Mesmo com a integração do ZNE, pequenas imperfeições nos códigos de depuração e na confiabilidade do hardware deixaram espaço para melhorias. Esses resíduos, embora pequenos, enfatizam os desafios de se obter funções lógicas livres de erros.
Embora a pesquisa tenha se concentrado na replicação e na codificação de superfície, a aplicação dos métodos a protocolos de correção de erros mais complexos ou sistemas com altas taxas de erro base pode exigir desenvolvimento adicional.
As descobertas – e as limitações que os cientistas enfrentam – apontam para vários caminhos para pesquisas futuras. Uma área importante é melhorar a integração do ZNE com outras técnicas de redução de erros, como o cancelamento de erros potenciais, para melhorar a confiabilidade. Outro foco é estender esses métodos a outros tipos de processadores quânticos, como íons aprisionados e sistemas fotônicos, para garantir sua aplicabilidade mais ampla.
O crescimento do ZNE também convida à exploração de seu uso em protocolos avançados de tolerância a falhas. Técnicas como a cirurgia em treliça, que permitem operações quânticas, podem se beneficiar da integração do ZNE para melhorar a precisão e reduzir os requisitos de recursos.
O artigo é técnico e pode fornecer uma compreensão mais profunda do que este artigo de resumo pode fornecer. Você pode acessá-lo aqui. É importante observar que os pesquisadores frequentemente enviam estudos ao arXiv para feedback oportuno; no entanto, eles não foram formalmente revisados por pares.
