Dentro brevemente
- Pesquisadores do Trinity College Dublin desenvolveram um protocolo geral para medir o vazamento de informações em qubits não funcionais, abordando um desafio importante na computação quântica conhecido como “problema da função de proteção”.
- Os testes dos processadores Falcon da IBM revelaram uma pequena, mas mensurável, perda de informações durante o tempo ocioso, com o raro “ruim” indicando um grande vazamento.
- O protocolo fornece uma ferramenta escalonável para avaliar o desempenho do hardware, abrindo caminho para mitigação de erros e técnicas de teste para sistemas quânticos de próxima geração.
Quando os computadores quânticos não contam continuamente, ainda ficam vulneráveis à perda de informação, um desafio que os cientistas do Trinity College Dublin abordaram num estudo de quatro meses sobre os processadores quânticos Falcon da IBM. Suas descobertas, publicadas na npj Quantum Information, lançam luz sobre um problema fundamental da engenharia quântica: equilibrar a necessidade de proteger os qubits durante períodos de inatividade e, ao mesmo tempo, permitir que interajam de forma eficiente durante os cálculos.
Principais descobertas e implicações
A pesquisa introduziu uma maneira de medir quanta informação “vaza” dos qubits quando eles estão ociosos – um passo importante para a compreensão dos desafios de projetar sistemas quânticos que possam crescer de forma confiável, de acordo com uma equipe de pesquisa do Trinity College Dublin, incluindo Alexander Nico-Katz, Nathan Keenan e John Gold. Executando mais de 3.500 testes nos processadores Falcon 5.11 de 27 qubits da IBM, a equipe encontrou uma perda de informações sutil, mas estatisticamente significativa, mesmo quando os qubits não estavam fazendo nenhum cálculo.
Este trabalho destaca uma contradição preocupante na computação quântica. Os qubits ociosos devem ser separados para evitar que as informações se espalhem para os qubits próximos, mas durante os cálculos, eles devem interagir estreitamente para realizar as operações. Conhecida como o “problema de desempenho de segurança”, esta tensão sublinha a dificuldade de manter a fidelidade dos qubits enquanto se dimensionam os computadores quânticos para tamanhos realistas.
A equipe enfatizou a ampla relevância dessas descobertas no artigo, sugerindo que o protocolo desenvolvido pela equipe fornece uma estrutura global para estudar esses resultados, fornecendo insights sobre como eles poderiam facilitar o hardware quântico da próxima geração.
Eles escrevem: “O futuro próximo da computação quântica promete aumentos dramáticos no tamanho dos sistemas, hardware de correção de erros, novos métodos para localizar informações espaciais e novas tolerâncias a falhas”. Nosso trabalho fornece um protocolo flexível, robusto e escalável para medir a perda de informações redundantes em todas essas configurações. “
Como fazer
Para estudar o problema, a equipe projetou um protocolo arbitrário e independente de dispositivos usando conceitos da teoria da informação quântica. A chave do método é a “quantidade Holevo”, uma medida de quanta informação primitiva pode ser acessada em um sistema quântico. Os pesquisadores usaram isso para rastrear como as informações inicialmente armazenadas em uma área se espalham para outras durante períodos de inatividade.
Em seus experimentos, eles lançaram um qubit alvo em um dos dois estados e mediram suas interações com qubits próximos ao longo do tempo. Ao comparar a quantidade de informações que podem ser recuperadas apenas de um qubit alvo com ele e seus vizinhos, a equipe estimou quanta informação vazou.
Esta abordagem exigiu extensa tomografia de estado, um processo semelhante a tirar um instantâneo detalhado do estado quântico de um sistema. Apesar da complexidade, o protocolo é bem escalável, exigindo a análise de apenas alguns qubits por vez, independentemente do tamanho do sistema, relata a equipe.
Vazamentos e episódios ruins
A pesquisa revelou duas descobertas importantes. Primeiro, o vazamento de informações, embora pequeno, foi observado de forma consistente em todos os dispositivos testados. Nos processadores Falcon, o vazamento foi de cerca de 0,2% das informações armazenadas em um único qubit durante o tempo de leitura do sistema.
A equipe também descobriu que alguns qubits apresentavam taxas de vazamento muito altas, com mais de 10% de suas informações espalhadas para qubits vizinhos. Esses “qubits de oferta” eram raros, mas destacavam os riscos que os fabricantes poderiam enfrentar em projetos futuros.
Pequeno, mas importante
Embora o vazamento observado seja pequeno, ele representa um limite fundamental para a confiabilidade dos atuais processadores quânticos. Mesmo taxas de vazamento baixas podem ser importantes para sistemas grandes, especialmente quando os cálculos exigem controle preciso de milhares de qubits. A equipe escreve que isso enfatiza a necessidade de técnicas de redução de erros, como truncamento dinâmico, localização de múltiplos corpos ou correção ativa de erros.
O próprio protocolo pode ter amplas aplicações. À medida que os sistemas quânticos crescem em tamanho e complexidade, eles podem servir como referência para testar a confiabilidade de diferentes designs de hardware. Também pode ajudar a refinar modelos teóricos de como a informação se comporta em sistemas multiqubit.
Limitações e Desafios
O estudo sugere várias limitações e áreas para pesquisas futuras. O protocolo assume que os qubits interagem principalmente com seus vizinhos mais próximos, o que pode não ocorrer em todas as estruturas. Além disso, os testes são realizados sob condições controladas projetadas para minimizar ruídos espaciais e erros de porta. A computação quântica do mundo real pode enfrentar desafios adicionais não abordados neste experimento.
Outra limitação é a dependência dos processadores Falcon da IBM, que são os modelos de processadores mais antigos da empresa. Embora o protocolo seja independente de hardware, os pesquisadores provavelmente realizarão testes futuros para verificar sua generalidade.
Os pesquisadores planejam expandir seu trabalho usando o protocolo em novos processadores quânticos com mais qubits e recursos avançados de correção de erros. Eles também pretendem melhorar suas análises para acomodar interações mais complexas, como aquelas que envolvem interações não locais entre qubits.
Para obter uma profundidade técnica mais profunda deste trabalho, que este artigo de resumo não pode fornecer, leia o artigo em npj Quantum Information.
