Cientistas da USC demonstraram um método teórico para melhorar o desempenho dos computadores quânticos, um passo importante para dimensionar uma tecnologia com potencial para resolver alguns dos maiores desafios da sociedade.

O método aborda uma fraqueza que atormenta o desempenho dos computadores de próxima geração, suprimindo cálculos errôneos e aumentando a fidelidade dos resultados, uma etapa crítica antes que as máquinas possam superar os computadores clássicos como pretendido. Chamado de "desacoplamento dinâmico, "funcionou em dois computadores quânticos, provou ser mais fácil e confiável do que outros remédios e pode ser acessado pela nuvem, que é a primeira vez em desacoplamento dinâmico.

A técnica administra rajadas em staccato de minúsculos, a energia concentrada pulsa para compensar os distúrbios ambientais que atrapalham os cálculos sensíveis. Os pesquisadores relatam que foram capazes de sustentar um estado quântico até três vezes mais do que ocorreria em um estado não controlado.

"Este é um passo em frente, "disse Daniel Lidar, professor de engenharia elétrica, química e física na USC e diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da Informação Quântica da USC (CQIST). "Sem supressão de erros, não há como a computação quântica superar a computação clássica. "

Os resultados foram publicados hoje na revista. Cartas de revisão física . Lidar é o Professor Viterbi de Engenharia da USC e autor correspondente do estudo; ele liderou uma equipe de pesquisadores no CQIST, que é uma colaboração entre a USC Viterbi School of Engineering e a USC Dornsife School of Letters, Artes e Ciências. A startup Rigetti Computing da IBM e da Bay Area forneceu acesso à nuvem para seus computadores quânticos.

Os computadores quânticos são rápidos, mas frágil

Os computadores quânticos têm o potencial de tornar obsoletos os supercomputadores de hoje e impulsionar avanços na medicina, capacidades financeiras e de defesa. Eles controlam a velocidade e o comportamento dos átomos, que funcionam radicalmente diferente dos chips de computador de silício, para realizar cálculos aparentemente impossíveis.

A computação quântica tem o potencial de otimizar novas terapias medicamentosas, modelos para mudanças climáticas e projetos para novas máquinas. Eles podem alcançar uma entrega mais rápida de produtos, custos mais baixos para produtos manufaturados e transporte mais eficiente. Eles são movidos por qubits, os burros de carga subatômicos e blocos de construção da computação quântica.

Mas os qubits são tão temperamentais quanto os carros de corrida de alto desempenho. Eles são rápidos e de alta tecnologia, mas está sujeito a erros e precisa de estabilidade para sustentar os cálculos. Quando eles não funcionam corretamente, eles produzem resultados ruins, o que limita suas capacidades em relação aos computadores tradicionais. Cientistas de todo o mundo ainda precisam alcançar uma "vantagem quântica - o ponto em que um computador quântico supera um computador convencional em qualquer tarefa.

O problema é "ruído, "um descritor abrangente para perturbações como o som, temperatura e vibração. Pode desestabilizar qubits, que cria "decoerência, "uma perturbação que interrompe a duração do estado quântico, o que reduz o tempo que um computador quântico pode realizar uma tarefa enquanto obtém resultados precisos.

"O ruído e a decoerência têm um grande impacto e prejudicam os cálculos, e um computador quântico com muito ruído é inútil, "Lidar explicou." Mas se você pode eliminar os problemas associados ao ruído, então você começa a se aproximar do ponto em que os computadores quânticos se tornam mais úteis do que os computadores clássicos. "

A pesquisa da USC abrange várias plataformas de computação quântica

USC é a única universidade no mundo com um computador quântico; seu recozedor quântico D-Wave de 1098 qubit é especializado na solução de problemas de otimização. Parte do USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, está localizado no Instituto de Ciências da Informação da USC. Contudo, as últimas descobertas da pesquisa não foram alcançadas na máquina D-Wave, mas em menor escala, computadores quânticos de uso geral:o QX5 de 16 qubit da IBM e o Acorn de 19 qubit da Rigetti.

Para alcançar o desacoplamento dinâmico (DD), os pesquisadores banharam os qubits supercondutores com foco rígido, pulsos cronometrados de energia eletromagnética diminuta. Ao manipular os pulsos, cientistas foram capazes de envolver os qubits em um microambiente, sequestrado - ou desacoplado - do ruído ambiente circundante, perpetuando assim um estado quântico.

"Tentamos um mecanismo simples para reduzir o erro nas máquinas que se mostraram eficazes, "disse Bibek Pokharel, estudante de doutorado em engenharia elétrica na USC Viterbi e primeiro autor do estudo.

As sequências de tempo para os experimentos foram excessivamente pequenas, com até 200 pulsos abrangendo até 600 nanossegundos. Um bilionésimo de segundo, ou um nanossegundo, é quanto tempo leva para a luz percorrer um pé.

Para os computadores quânticos IBM, a fidelidade final triplicou, de 28,9 por cento para 88,4 por cento. Para o computador quântico Rigetti, a melhoria final da fidelidade foi de 17 por cento mais modestos, de 59,8 a 77,1, de acordo com o estudo. Os cientistas testaram por quanto tempo a melhoria da fidelidade poderia ser mantida e descobriram que mais pulsos sempre melhoravam as coisas para o computador Rigetti, enquanto havia um limite de cerca de 100 pulsos para o computador IBM.

Geral, os resultados mostram que o método DD funciona melhor do que outros métodos de correção de erros quânticos que foram tentados até agora, Disse Lidar.

"Para o melhor de nosso conhecimento, "escreveram os pesquisadores, "isso equivale à primeira demonstração inequívoca de mitigação de decoerência bem-sucedida em plataformas qubit supercondutoras baseadas em nuvem ... esperamos que as lições tiradas tenham ampla aplicabilidade."

Altas apostas na corrida pela supremacia quântica

A busca pela supremacia da computação quântica é uma prioridade geopolítica para a Europa, China, Canadá, Austrália e Estados Unidos. A vantagem obtida com a aquisição do primeiro computador que torna todos os outros computadores obsoletos seria enorme e proporcionaria economia, vantagens militares e de saúde pública para o vencedor.

O Congresso está considerando dois novos projetos de lei para estabelecer os Estados Unidos como líder em computação quântica. Em setembro, a Câmara dos Representantes aprovou o National Quantum Initiative Act para alocar US $ 1,3 bilhão em cinco anos para estimular a pesquisa e o desenvolvimento. Ela criaria um Escritório Nacional de Coordenação Quântica na Casa Branca para supervisionar a pesquisa em todo o país. Uma fatura separada, a Quantum Computing Research Act da Sen. Kamala Harris, D-Calif., dirige o Departamento de Defesa para liderar um esforço de computação quântica.

"A computação quântica é a próxima fronteira tecnológica que mudará o mundo e não podemos ficar para trás, "Harris disse em comentários preparados." Isso poderia criar empregos para a próxima geração, curar doenças e, acima de tudo, tornar nossa nação mais forte e segura. ... Sem pesquisa adequada e coordenação em computação quântica, corremos o risco de ficar para trás em nossa competição global na corrida do ciberespaço, o que nos deixa vulneráveis ​​a ataques de nossos adversários, " ela disse.