Dentro brevemente
- Uma nova técnica de correção de erros quânticos desenvolvida por um pesquisador da Universidade de Sheffield visa tornar as medições quânticas mais confiáveis, sem a necessidade de códigos complexos de correção de erros quânticos.
- O método usa “observações práticas” programadas a partir de códigos clássicos de correção de erros para detectar e corrigir erros nos resultados de medição, melhorando a precisão de aplicações quase quânticas que dependem de resultados de dados clássicos.
- Ao permitir a correção de erros com recursos mínimos, o método pode melhorar o desempenho em vários sistemas quânticos e tornar os algoritmos quânticos mais eficientes no curto prazo.
Uma nova abordagem para correção de erros quânticos, publicada na NPJ Quantum Information, propõe um esquema de medição projetado para tornar os cálculos quânticos mais precisos e confiáveis, mesmo sem correção de erros quânticos (QEC).
Desenvolvido por Yingkai Ouyang da Universidade de Sheffield, o método revela como detectar e corrigir erros em medições quânticas através de uma série de medições sistemáticas que evitam a perda de dados e reduzem a imprecisão. Este avanço aborda uma questão crítica na computação quântica: manter medições estáveis e confiáveis, um passo necessário na realização de sistemas quânticos eficientes e tolerantes a falhas.
Viagens notáveis
As medições quânticas são importantes para o processamento de informações quânticas, mas também estão sujeitas a erros que distorcem os resultados. Todo algoritmo quântico – seja para criptografia de dados, reconhecimento de padrões ou modelagem científica complexa – depende de medições precisas de estados quânticos. Segundo Ouyang, os erros nessas medições podem vir de diversas fontes, incluindo ruído ambiental ou limitações na precisão do hardware, que causam imprecisões nos resultados finais.
A maioria dos sistemas convencionais de correção de erros concentra-se na proteção de circuitos quânticos contra interferências externas, mas a nova abordagem adota uma abordagem diferente. Em vez de inserir dados em códigos complexos de correção de erros, o esquema de Ouyang introduz “objetos físicos em movimento” baseados em códigos clássicos de correção de erros.
Destacam-se as medições que podem ser realizadas simultaneamente sem interrupção. Ao utilizar estas observações numa sequência sistemática, o novo sistema visa detectar e corrigir quaisquer inconsistências causadas por erros nos resultados de medição. Como escreve Ouyang, esta abordagem pode permitir que sistemas quânticos façam correções nos resultados de medições de dados clássicas – sem exigir uma cópia completa dos próprios dados quânticos.
Outra vantagem desta técnica é que ela permite a correção direta de erros em medições quânticas, contornando algumas das limitações dos sistemas QEC em escala real, que são difíceis de implementar em dispositivos quânticos de curto prazo.
Ouyang escreve que este método pode ser especialmente útil para algoritmos que ainda estão em desenvolvimento hoje, que muitas vezes não têm acesso a uma infraestrutura de QEC totalmente desenvolvida. Algoritmos de curto prazo, projetados para uso em computadores quânticos disponíveis atualmente, geralmente dependem de resultados clássicos de medições quânticas. Estes incluem algoritmos para tarefas como aprendizagem quântica ou estimativa de parâmetros quânticos, que têm aplicações em campos que vão desde a inteligência artificial até à investigação farmacêutica. Medições imprecisas em tais sistemas podem reduzir o desempenho, mas este novo método pode reforçar a sua fiabilidade.
Núcleo Técnico
O sistema quântico de correção de erros de Ouyang pode ser comparado a um sistema de testes de segurança multicamadas, onde cada ponto de verificação verifica se há erros nos dados, garantindo resultados confiáveis mesmo que os erros passem de uma camada.
O núcleo técnico da proposta de Ouyang envolve, então, o uso de um tipo especial de medição denominado “medição de projeto”. As medições antecipatórias são projetadas para isolar certos estados quânticos para observação, reduzindo o risco de introdução de novos defeitos. No método de Ouyang, cada medição é substituída por um conjunto de observações quando vai para o trabalho que realmente executa a mesma tarefa, mas com multiplicidade incorporada para detectar erros. Ao vincular cada medida a um código primitivo específico que descreve como os erros são corrigidos, o sistema cria uma maneira confiável de identificar e corrigir os erros à medida que surgem.
Por exemplo, se um erro de medição altera o resultado de uma determinada visualização, o código primitivo detecta esse conflito e corrige o erro com base em regras predefinidas. De acordo com Ouyang, isso é semelhante ao modo como os códigos clássicos de correção de erros funcionam nas comunicações digitais, onde bits de dados redundantes ajudam a detectar e corrigir erros de transmissão. A diferença aqui é que a redundância está incorporada no próprio processo de medição, tornando-o compatível com as necessidades exclusivas da computação quântica.
O sistema também pode se adaptar a diferentes tipos de sistemas quânticos. Por exemplo, Ouyang escreve que, embora os métodos convencionais de QEC estejam frequentemente ligados a “códigos de estabilização”, uma classe de códigos especificamente concebidos para certos tipos de sistemas quânticos, o novo sistema funciona com códigos de “não estabilização”. Os códigos não estáveis incluem sistemas como os “códigos bosônicos”, que ganharam interesse por sua capacidade de representar estados quânticos complexos de forma mais eficiente do que os métodos convencionais. Essa flexibilidade significa que o sistema pode ser usado em uma ampla gama de arquiteturas de computação quântica, abrindo as portas para a computação tolerante a falhas, mesmo em sistemas que não são totalmente compatíveis com o QEC convencional.
A implementação deste método requer apenas recursos limitados. De acordo com Ouyang, uma configuração com componentes básicos, como estados quânticos auxiliares e dispositivos de medição simples, como detectores homódinos, será suficiente. A detecção homódina, um método para medir as propriedades da luz, é adequada para esse propósito e é amplamente utilizada na física quântica experimental. Ao manter pequenos os requisitos de hardware, o método pode ser integrado aos sistemas quânticos existentes sem exigir alterações significativas na infraestrutura.
O estudo fornece insights práticos sobre o desafio de longa data da confiabilidade das medições quânticas. Erros em uma medição quântica podem afetar duas coisas principais: o “resultado principal”, ou os dados numéricos obtidos da medição, e o “estado pós-medição”, ou o estado resultante do sistema quântico após a medição. O programa de Ouyang concentra-se principalmente na correção de erros em resultados clássicos, o que, para dispositivos quase quânticos, é muito importante, pois pode melhorar a precisão dos algoritmos e melhorar o desempenho geral.
Uma característica que diferencia esse método é a flexibilidade de escolher a quantidade de material com base na tolerância a falhas desejada. Ouyang mostra que com a escolha certa dos códigos clássicos, são necessárias poucas observações, reduzindo a carga de medição e a complexidade da operação. Por exemplo, na sua análise, ele mostra que dez observações podem alcançar a mesma correção de erros que o método anterior que requer quinze observações, tornando este método mais eficiente em algumas aplicações.
Os extensos esforços da Quantum
O trabalho de Ouyang também se conecta a esforços mais amplos para corrigir erros quânticos, fornecendo a base para possíveis melhorias na “extração de síndromes”, um processo no qual dados propensos a erros são identificados e corrigidos.
O QEC tradicional depende de protocolos de extração de síndromes, que consomem tempo e recursos. O sistema proposto pode simplificar este processo, especialmente para códigos não lineares como os “códigos binomiais”, que incluem informações quânticas em certas regiões da luz. Ao aplicar aproximações robustas a tais códigos, o método de Ouyang poderia contribuir para a realização de um computador quântico eficiente e tolerante a falhas.
Limitações e orientações para pesquisas futuras
O método pode ter algumas limitações – e isso sugere uma linha futura de trabalho para os cientistas. Por exemplo, embora o sistema seja compatível com certos tipos de códigos não lineares, tais como códigos bosónicos, pode não fornecer o mesmo nível de flexibilidade ou eficiência para todos os sistemas quânticos, especialmente aqueles com dinâmica de erro complexa. Embora o método exija menos recursos do que o QEC completo, a implementação do sistema em larga escala pode exigir mais circuitos de suporte e medições mais precisas. Isto pode apresentar desafios práticos para a expansão para computadores quânticos grandes e tolerantes a falhas.
Ouyang prevê o uso de um esquema de correção de erros para melhorar a confiabilidade das medições em algoritmos quânticos de curto prazo que ainda não atingiram o QEC completo. Mais pesquisas poderiam testar o desempenho do método em configurações práticas de algoritmos, como aprendizagem quântica ou estimativa de parâmetros.
Da mesma forma, a longo prazo, este método pode complementar os métodos tradicionais de QEC em sistemas tolerantes a falhas, o que pode aliviar os requisitos de recursos. A pesquisa para integrar o sistema com protocolos QEC completos pode levar a uma maior eficiência no projeto de arquiteturas de computação quântica.
Yingkai Ouyang é pesquisador de computação quântica na Universidade de Sheffield, especializado em correção quântica de erros e confiabilidade escalar.
