O poder da computação cresceu exponencialmente ao longo de muitas décadas, então, por que o prometido próximo salto dos computadores quânticos está demorando tanto para chegar?

Uma razão é que a informação em um sistema quântico é sensível ao ruído indutor de erro de uma forma que a informação clássica não é. Este ruído está em toda parte e é inevitável, surgindo de oscilações microscópicas de átomos e elétrons em toda a matéria. Portanto, temos que inventar novas maneiras de lidar com os erros quânticos.

Quando você faz uma ligação em uma rede congestionada, ou raspe um CD, a tecnologia ainda pode funcionar:as conversas permanecem compreensíveis e a música ainda toca.

Isso ocorre porque esses dispositivos usam códigos de correção de erros:mesmo que os erros corrompam o fluxo de dados brutos, as informações lógicas importantes ainda podem ser reconstruídas. E estes podem ser adaptados para computação quântica.

Um tempo com o qual você pode contar

Para ver como isso funciona para a codificação clássica, considere a solução usada pelos primeiros navegadores.

Eles sabiam que a longitude poderia ser calculada a partir da elevação do Sol, desde que a hora no porto de origem fosse conhecida - daí o imperativo naval de construir com precisão, relógios estáveis.

Idealmente, um relógio seria suficiente, mas e se algo desse errado? Dois relógios são melhores, contanto que ambos concordem. Mas se eles discordam, Qual é certo? Com três relógios, a maioria dos votos permite que o cronometrista detecte e reconfigure um relógio rebelde.

Para dados binários, representado por 0s e 1s, a repetição protege a informação:um bit lógico "0" é representado em três bits físicos como 000, enquanto "1" é representado como 111.

Suponha que durante a transmissão de dados de "0", a última parte física foi acidentalmente virada, de modo que a mensagem recebida seja 001. O destinatário veria imediatamente que um erro havia corrompido os dados.

Avançar, tomando a maioria dos votos, ela diria que um erro afetou a terceira parte física, e decodificar corretamente o bit lógico:"0". Enquanto os erros forem raros, o código de repetição permitirá que os dados lógicos sejam transmitidos de forma confiável em um ambiente barulhento, canal sujeito a erros.

Desconhecidos conhecidos

Uma ruga quântica nesta imagem é que envolve uma "medição". O receptor sabe exatamente quais bits físicos ela recebeu (001 no exemplo, acima de), o que implica que ela teve que medi-los (isto é, olhe para eles).

Mas a mecânica quântica nos diz que o ato de medição muda fundamentalmente o estado de um sistema quântico. A simples medição de bits quânticos (qubits) muda a mensagem.

Portanto, um receptor quântico não tem permissão para medir os qubits diretamente, mas ela ainda precisa descobrir se erros ocorreram, e onde.

Para resolver isso, voltamos ao código de repetição para orientação. Em vez de olhar para os valores de bits, o receptor poderia, em vez disso, fazer as seguintes duas perguntas:

• Q1:o primeiro bit é igual ao segundo bit?
• Q2:o segundo bit é igual ao terceiro bit?

Se não houvesse erros, a resposta a ambas as perguntas seria "sim", independentemente de a mensagem ser 000 ou 111.

Mas se o último bit sofreu um erro (recebendo 001 ou 110), a resposta a Q1 seria "sim", mas a Q2 seria "não". A partir desta resposta, o destinatário pode inferir a existência de um erro e sua localização.

De forma similar, um erro no primeiro bit será revelado pelo padrão Q1 ="Não", Q2 ="Sim". Um erro no bit do meio será revelado por Q1 =Q2 ="Não". Assim, qualquer erro único será determinado exclusivamente por essas respostas, e pode ser reparado.

Saber qual bit físico sofreu um erro, ela iria consertar isso deliberadamente virando aquele pedaço, para reverter o efeito do erro original. Isso pode acontecer sem saber o estado da broca danificada.

Observe que responder a essas perguntas requer apenas conhecimento comparativo dos bits recebidos. Não depende de seu valor particular, nem a informação lógica codificada.

Este princípio captura a essência dos códigos de correção de erros quânticos. Ele nos permite identificar erros simultaneamente e evitar danos à informação quântica.

Em vez de medir o valor de qubits físicos individuais, uma série de perguntas comparativas são feitas:"Os qubits no grupo A são iguais?", "Os qubits no grupo B são iguais?" e assim por diante. As respostas a essas perguntas fornecem pistas sobre a localização dos erros, mas sem revelar a própria mensagem.

Essas respostas são então usadas para inferir e corrigir os erros prováveis.

A informação quântica lógica é codificada em outra combinação de qubits, que medimos apenas quando realmente queremos descobrir o estado quântico lógico.

Esta abordagem é ativa, e computacionalmente caro para grandes conjuntos de dados. Para alguns aplicativos, é necessário. Mas se os engenheiros na década de 1940 enfrentaram uma luta semelhante para desenvolver os primeiros computadores, Suspeito que o laptop em que estou escrevendo isso nunca teria sido construído.

Estabilidade magnética

Em vez de, eles tiveram sorte, assim como a própria natureza faz a correção de erros clássica gratuitamente. Os ímãs são incrivelmente estáveis, portanto, eles são usados ​​para armazenar grandes quantidades de informações em discos rígidos com quase nenhuma correção de erro ativa.

Os ímãs são apenas coleções de muitos átomos magnéticos que tendem a alinhar seus eixos magnéticos uns com os outros, então todos eles apontam "norte".

Se um raio cósmico chuta espontaneamente a orientação magnética de um átomo, seus vizinhos atômicos exercem uma força magnética que o realinha com a direção da maioria. Portanto, um ímã pode ser pensado como um pedaço de matéria que passivamente corrige o erro, por maioria local de votos.

Infelizmente para computadores quânticos, não conhecemos nenhum estado passivamente estável da matéria quântica. Na verdade, temos provas matemáticas de que tal matéria não pode existir em um universo bidimensional, enquanto pode em um universo quadridimensional.

Até aqui, não sabemos se existe matéria quântica passivamente estável em nosso próprio universo tridimensional.

Sabemos disso com habilidade e recursos suficientes, podemos corrigir ativamente os erros quânticos.

Mas construir uma memória quântica é um desafio contínuo. Não há nada como um "ímã quântico" para armazenar facilmente informações quânticas para nós. Temos que projetar e construir esse sistema do zero, quase literalmente átomo por átomo.

Uma das primeiras tarefas principais que um computador quântico fará é realizar a correção de erros quânticos em si mesmo. Por mais prosaico que pareça, será a primeira vez em nosso universo conhecido de matéria verdadeiramente quântica.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.