Dentro brevemente
- Uma equipe de pesquisa liderada pelo QuEra demonstrou a imersão de um estado mágico em um computador atômico neutro, um processo fundamental para permitir a computação quântica tolerante a erros em todos os lugares.
- A pesquisa utilizou códigos avançados de correção de erros quânticos para melhorar a confiabilidade dos circuitos lógicos mágicos, alcançando uma confiabilidade de saída de até 99,4%.
- O trabalho está sendo feito no sistema Gemini recém-construído do QuEra.
- Este marco destaca o potencial de crescimento dos processadores atômicos neutros para sistemas de grande escala, mas observa que são necessárias mais melhorias de hardware para melhorar o desempenho.
A equipe de cientistas do QuEra demonstrou com sucesso a imersão no estado mágico em um computador de átomo neutro, sugerindo que isso poderia levar à obtenção de circuitos de alta fidelidade essenciais para a computação global tolerante a falhas.
De acordo com a pesquisa de pré-impressão do servidor arXiv, o trabalho também marca um passo importante em direção a processadores quânticos que possam lidar com algoritmos complexos.
A equipe escreve que a computação quântica depende de qubits lógicos – versões protegidas contra erros de qubits físicos fracos – para realizar cálculos confiáveis, apesar das imperfeições de hardware. No entanto, apenas uma gama limitada de funções, conhecidas como portas de Clifford, pode ser aplicada diretamente a estes métodos lógicos. Os pesquisadores explicam que as portas de Clifford por si só não podem fornecer o poder computacional necessário para a computação quântica universal. Para lidar com isso, “estados mágicos” – instalações quânticas especiais – são usados para abrir as funções do universo.
Esses estados, relata a equipe, podem ser destilados em versões de alta fidelidade por meio de um processo conhecido como destilação de estado mágico (MSD).
A pesquisa, conduzida usando um processador atômico neutro reconfigurável, marca a primeira realização de testes de nível lógico MSD. Uma equipe de pesquisa relata o uso de códigos avançados de correção quântica de erros (QEC) – estruturas que detectam e corrigem erros durante a computação – para produzir circuitos mágicos de alta fidelidade.
Esses resultados representam a primeira base para a construção de sistemas quânticos tolerantes a falhas em grande escala, relatam os pesquisadores.
Como funciona a destilação de estado mágico
Basicamente, o MSD filtra estados quânticos ruidosos em resultados mais confiáveis. Segundo os pesquisadores, isso é conseguido codificando vários circuitos de baixa fidelidade em uma estrutura QEC específica e, em seguida, realizando operações controladas para suprimir erros. Se a confiabilidade dos estados de entrada exceder um limite definido, o processo aumenta a qualidade dos estados de saída.
Os pesquisadores implementaram essa técnica usando “códigos de cores”, um tipo de código QEC que permite a detecção eficaz de erros. Eles realizaram MSD em qubits lógicos codificados por cores 2D com 3 e 5 níveis. Conforme explica a equipe, essas notas refletem a força dos códigos de correção de erros: quanto maior a nota, maior a supressão de erros. Os resultados mostraram uma melhoria significativa na confiabilidade, com condições de entrada mágica melhorando de 95,1% para 99,4% para códigos de grau 3 e de 92,5% para 98,6% para códigos de grau 5.
“Até onde sabemos, este é também o maior código de cores demonstrado até o momento”, disseram os pesquisadores em uma postagem no blog da empresa.
A pesquisa enfatiza a importância dos estados mágicos na superação das limitações computacionais das portas de Clifford. Ao permitir operações que de outra forma não seriam possíveis, os circuitos mágicos servem como um recurso importante para algoritmos quânticos, como processamento de grandes números, simulações complexas e problemas de otimização.
Curiosamente, a reconfiguração adaptativa de processadores atômicos neutros poderia reverter a integração de fábricas MSD em futuros hardwares quânticos, de acordo com o artigo.
O trabalho também pode nos dar uma ideia do desempenho mais recente da linha de produtos QuEra. Os pesquisadores escreveram que realizaram seus experimentos no recém-desenvolvido processador quântico da classe Gemini do QuEra, usando sua capacidade de manipular qubits dispostos em uma grade 2D. Essa arquitetura permitiu à equipe realizar circuitos de codificação e operações de destilação em paralelo, melhorando a eficiência. Os estados mágicos foram codificados em qubits lógicos usando circuitos avançados projetados para codificação por cores. A equipe então decompõe esses estados usando um protocolo “5 para 1”, que combina cinco estados ruidosos para produzir uma saída única de alta fidelidade. Ao medir qubits adicionais conhecidos como síndromes, eles garantem a supressão de erros e uma melhoria limitada na confiabilidade do regime.
Restos de trabalho
O estudo reconhece algumas limitações e sugere próximos passos para as equipes de pesquisa. Segundo a equipe, as taxas de erros físicos no processador ainda representam desafios, especialmente para códigos QEC grandes, como o 5º ano. A redução desses níveis, explicam eles, permitirá melhorias contínuas na confiabilidade sem exigir seleção de antecedentes, um processo que descarta resultados errôneos.
Como a seleção de antecedentes envolve o descarte de resultados errôneos, o processo reduz a eficiência e a escalabilidade da computação quântica, limitando os resultados utilizáveis.
Os pesquisadores também querem explorar outras maneiras de se preparar para o estado mágico. As opções incluem projetar códigos QEC com recursos integrados não-Clifford ou desenvolver protocolos MSD mais eficientes.
De acordo com o artigo: “Para poder calcular em escala global, tais melhorias de confiabilidade também devem ser acompanhadas por um projeto correspondente de preparação do estado mágico. Embora a imersão em estados mágicos represente uma forma fundamental de usar funções não-Clifford e tenha a vantagem de flexibilidade para muitos códigos de dados, outros métodos com diferentes compensações também devem ser explorados.”
Além disso, escalar o método para sistemas maiores exigirá otimização de hardware para contagens de qubit mais altas e desempenho mais rápido. A equipe está considerando combinar o MSD com técnicas avançadas, como média de circuito e feedback, para permitir algoritmos quânticos mais eficientes.
A equipe escreve no post: “Nossos resultados destacam um alicerce tolerante a falhas para a computação quântica. Embora o progresso seja encorajador, são necessárias mais melhorias na fiabilidade para permitir múltiplas rondas de destilação e reduzir custos indiretos. Há um longo caminho pela frente, mas esta experiência sublinha o potencial dos átomos neutros para o avanço da computação quântica universal. A evolução dos métodos de preparação para o reino mágico também oferece muitas oportunidades de experimentação.”
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Os pesquisadores incluíram cientistas da QuEra Computing Inc. Universidade de Harvard e Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
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