Dentro brevemente
- Os pesquisadores aplicaram com sucesso a codificação por cores, uma alternativa à correção quântica de erros, em qubits supercondutores que poderiam um dia reduzir erros lógicos e realizar operações eficientes com menos recursos do que a codificação espacial.
- O estudo alcançou uma redução de 1,56 vezes nas taxas de erro lógico, uma fidelidade superior a 99% para injeção de estado mágico e demonstrou operações multi-qubit com operações de rede com fidelidade de teletransporte de até 90,7%.
- Se o desenvolvimento do hardware continuar, a codificação por cores poderá competir com a codificação de superfície, abrindo caminho para sistemas quânticos mais escaláveis e econômicos, capazes de resolver problemas complexos do mundo real.
Uma nova pesquisa publicada no servidor de pré-impressão arXiv mostra que um método alternativo de correção de erros, a codificação por cores, poderia um dia tornar os processadores quânticos mais eficientes, mantendo ao mesmo tempo alta precisão. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Google e seus colaboradores usou com sucesso o método de supercondução de qubits, mostrando taxas de erro reduzidas e operações lógicas eficientes, marcando um passo à frente no desenvolvimento da computação quântica tolerante a erros.
A correção de erros está no cerne da promessa da computação quântica de resolver problemas que os computadores primitivos não conseguem resolver. A codificação de superfície, amplamente utilizada em sistemas supercondutores, tornou-se o método dominante devido à sua forte tolerância a falhas. No entanto, requer grande sobrecarga de qubit, o que limita a escalabilidade. A codificação por cores, embora seja mais difícil de implementar, oferece benefícios significativos em termos de eficiência e operação lógica. A pesquisa mostra que este método pode ser escalonado, fornecendo um concorrente potencial ao código local em futuros sistemas quânticos, relata a equipe.
Construindo pontes com correção de erros
A correção quântica de erros preenche a lacuna entre as altas taxas de erro dos materiais quânticos e as taxas de erro muito mais baixas exigidas em aplicações práticas. Muitos algoritmos quânticos, como aqueles usados em criptografia ou detecção de materiais, buscam taxas de erro abaixo do potencial físico. Ao introduzir uma alternativa eficiente ao código local, a investigação pode reduzir os requisitos de recursos e acelerar o progresso em direção a um computador quântico eficiente e de grande escala.
As implicações vão além dos desenvolvimentos teóricos. A capacidade de suprimir erros usando menos qubits pode reduzir custos de hardware, simplificar os requisitos de engenharia e tornar os sistemas quânticos acessíveis a uma gama mais ampla de aplicações. Da medicina à eficiência energética, a computação quântica tolerante a falhas poderá revolucionar as indústrias que dependem da resolução de problemas complexos com computadores.
A equipe de pesquisa demonstrou a supressão de erros graves usando codificação por cores. Ao aumentar a distância do código – uma medida da tolerância a erros do código – de três para cinco, eles encontraram uma redução de 1,56 vezes nas taxas de erros lógicos. Este desenvolvimento sugere que a codificação por cores pode superar a codificação espacial em eficiência com melhorias modestas no desempenho do qubit virtual.
O desempenho lógico foi outro foco, segundo o jornal. A equipe desenvolveu portas Clifford adaptativas – um mecanismo tolerante a erros onde cada qubit é tratado separadamente para evitar a propagação de erros – com uma taxa de erro incremental de apenas 0,0027 por operação, muito menor do que os ciclos convencionais de correção de erros ociosos.
Os pesquisadores relatam que prepararam e mediram os circuitos mágicos em seu processador quântico para testar seu desempenho. A injeção de estado mágico, um processo chave para a computação quântica, envolve a configuração de um estado quântico especial, chamado de “estado mágico”, em um único qubit. Este fenômeno permite que cálculos quânticos complexos sejam implementados no sistema.
Como a criação de situações mágicas está sujeita a erros, o processo envolve corrigir ou filtrar tentativas erradas. Uma vez preparado um estado mágico de alta qualidade, ele pode ser “injetado” no sistema para realizar operações como rotações precisas, essenciais para a computação quântica do universo. Essa abordagem maximiza o poder de computação enquanto mantém os erros sob controle.
A equipe relata ter alcançado confiabilidade superior a 99% com uma taxa de retenção de dados de 75%, estabelecendo uma referência para o desenvolvimento de algoritmos quânticos.
Além disso, os pesquisadores usaram cirurgia em rede, uma técnica que permite cirurgia tolerante a falhas entre qubits lógicos. Usando este método, eles relataram estados lógicos com confiabilidade entre 86,5% e 90,7%, demonstrando o desempenho do método multiqubit.
Como é feito
O código de cores organiza os qubits em uma estrutura de rede trivalente – de três vias, onde cada vértice da rede se conecta a três regiões de cores diferentes. Esta estrutura simplifica algumas operações lógicas em comparação com o código local, mas introduz complexidade na detecção de erros.
Dividindo ainda mais: O código acima é o método de correção quântica de erros mais amplamente utilizado, confiável por sua simplicidade e robustez. Ele organiza os qubits em uma estrutura semelhante a uma grade e detecta erros medindo retificadores, que são grupos de qubits que sinalizam coletivamente inconsistências. Embora o código acima tenha uma alta margem de erro – o que significa que pode tolerar mais ruído antes de falhar – ele requer um qubit alto, com dezenas de qubits necessários para combinar um único qubit lógico. Em contraste, a complexa estrutura de rede de um código de cores com qubits em microrredes permite operações lógicas eficientes, como portas cruzadas, que o código local tem dificuldade em fazer. No entanto, as medições de estabilidade do código de cores são complexas e sensíveis, exigindo hardware de alta qualidade e algoritmos de decodificação avançados. Essa compensação torna o código de cores mais útil em algumas aplicações, mas difícil de implementar no hardware quântico atual.
Uma medição aleatória razoável confirmou a precisão de suas operações. Esta técnica utiliza uma sequência de funções aleatórias para avaliar o erro médio introduzido pelas portas lógicas. A equipe também usou simulações para testar a escalabilidade de seu método, descobrindo que, de acordo com simulações e modelos teóricos, a codificação por cores pode superar a codificação espacial quando as taxas de erro físico melhoram por um fator de quatro.
Os pesquisadores usaram um processador supercondutor com circuitos avançados para detectar erros em toda a rede do código de cores e algoritmos avançados para corrigi-los. O design do processador garantiu um desempenho estável durante os testes, reduzindo as fontes de ruído que frequentemente afetam os sistemas quânticos.
Limitações e Desafios
Embora os resultados sejam promissores, a codificação por cores tem suas limitações. Suas medidas de estabilização de alto peso o tornam muito sensível a erros físicos de qubit, o que requer hardware melhor do que código local. Além disso, os algoritmos de codificação de cores são computacionalmente exigentes e é necessário um maior desenvolvimento para fazê-los funcionar em grandes sistemas.
O estudo também destacou fontes persistentes de erros, particularmente na operação de portas de dois qubits. Essas portas respondem por cerca de 40% do orçamento de erros lógicos, segundo os pesquisadores. Abordar essas questões será importante para ampliar a codificação de cores em sistemas maiores.
Outro desafio reside na integração do código de cores com as estruturas quânticas existentes. O código acima está profundamente enraizado nos projetos atuais de hardware quântico, e a transição para um novo nível exigiria esforços de engenharia significativos. No entanto, os benefícios de eficiência proporcionados pelo código de cores podem justificar este investimento.
Implicações da computação quântica
Se o código de cores puder ser medido e suas limitações observadas, ele poderá redefinir como a correção quântica de erros é realizada. Ao contrário da codificação espacial, que requer altas contagens de qubits para atingir baixas taxas de erro, a codificação por cores atinge eficiência por meio de seu design inerente. Isto pode reduzir custos e tornar os sistemas quânticos mais acessíveis, especialmente para empresas e investigadores que trabalham com orçamentos limitados.
A operação lógica do código de cores é outra vantagem importante. Sua capacidade de realizar portas paralelas e injeção de estado mágico com pequenos erros facilita a implementação de algoritmos quânticos complexos. Esses recursos o tornam uma opção atrativa para aplicações que exigem alta precisão, como criptografia e simulação de objetos.
Direções futuras
O estudo abre vários caminhos para pesquisas futuras. Primeiro, melhorar o desempenho físico do qubit ainda é uma prioridade. Materiais e métodos de fabricação aprimorados podem reduzir as taxas de erro, tornando a codificação por cores mais eficiente para sistemas grandes. Em segundo lugar, serão necessários algoritmos de decodificação mais rápidos e eficientes para suportar a correção de erros em tempo real em grandes sistemas.
Os pesquisadores também planejam testar métodos mistos, combinando o poder da codificação por cores com outros métodos de correção de erros, como a codificação de localização. Tais estratégias podem equilibrar eficiência e robustez, aproveitando as melhores características de cada método.
Em última análise, o desenvolvimento de processadores quânticos mais avançados desempenhará um papel importante. À medida que o hardware do computador melhora, as técnicas demonstradas neste estudo podem ser estendidas para incluir grandes matrizes qubit, permitindo um computador quântico eficiente e tolerante a falhas.
No entanto, a pesquisa ainda precisa ser formalmente revisada por pares, e os pesquisadores costumam postar em servidores de pré-impressão, como o arXiv, para obter feedback precoce e oportuno. Como o assunto é altamente técnico, revise o artigo aqui para se aprofundar no trabalho.
O estudo foi realizado por pesquisadores de diversas instituições de prestígio, incluindo Google Research em Mountain View, ETH Zurich na Suíça e Google DeepMind em Londres. As doações também vieram da Universidade de Massachusetts Amherst, da Universidade de Connecticut e da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. Equipes do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e do Departamento de Física também contribuíram para a pesquisa.
