Cientistas da Universidade de Sydney demonstraram pela primeira vez melhorias em computadores quânticos usando códigos projetados para detectar e descartar erros nas portas lógicas dessas máquinas.

"Esta é realmente a primeira vez que o benefício prometido para portas lógicas quânticas da teoria foi realizado em uma máquina quântica real, "disse o Dr. Robin Harper, autor principal de um novo artigo publicado esta semana na prestigiosa revista, Cartas de revisão física .

Portas lógicas quânticas são formadas por redes emaranhadas de um pequeno número de bits quânticos, ou qubits. Eles são os interruptores que permitem que os computadores quânticos executem algoritmos, ou receitas, para processar informações e realizar cálculos.

Dr. Harper e seu colega Professor Steven Flammia, da Escola de Física e da Universidade de Sydney Nano Institute, usou o computador quântico da IBM para testar códigos de detecção de erros. Eles demonstraram uma melhoria de ordem de magnitude na redução da infidelidade, ou taxas de erro, em portas lógicas quânticas, as chaves que formarão a base de computadores quânticos em pleno funcionamento.

Dr. Jay Gambetta, IBM Fellow e principal cientista teórico do IBM Q, disse:"Este artigo é um ótimo exemplo de como os cientistas podem usar nossos sistemas de nuvem disponíveis publicamente para sondar problemas fundamentais. Aqui Harper e Flammia mostram que as ideias de tolerância a falhas podem ser exploradas em dispositivos reais que estamos construindo e já implantando, hoje."

As tecnologias quânticas ainda estão em sua infância, mas prometem revolucionar a computação no século 21, realizando cálculos considerados além da capacidade dos maiores e mais rápidos supercomputadores.

Eles farão isso usando as propriedades incomuns da matéria na escala quântica que lhes permite processar informações usando qubits. Estes são elementos de computação que utilizam o fato de que objetos quânticos podem existir em um estado indeterminado, conhecido como superposição, e pode se tornar 'enredado', um fenômeno que descreve um comportamento não visto em computadores convencionais.

Contudo, 'ruído' eletrônico facilmente interrompe esses estados, produzindo rapidamente erros em cálculos quânticos, o que torna o desenvolvimento de máquinas úteis muito difícil.

"Os dispositivos atuais tendem a ser muito pequenos, com interconectividade limitada entre qubits e são muito "barulhentos" para permitir cálculos significativos, "Dr. Harper disse." No entanto, eles são suficientes para atuar como bancos de ensaio para a prova dos conceitos de princípio, como detectar e potencialmente corrigir erros usando códigos quânticos. "

Considerando que os interruptores clássicos em seu laptop ou telefone celular podem funcionar por muitos anos sem erros, neste estágio, os interruptores quânticos começam a falhar após apenas frações de segundo.

"Uma maneira de ver isso é por meio do conceito de entropia, "disse o professor Flammia." Todos os sistemas tendem a se desordenar. Em computadores convencionais, os sistemas são atualizados facilmente e redefinidos usando DRAM e outros métodos, efetivamente despejando a entropia para fora do sistema, permitindo computação ordenada, " ele disse.

"Em sistemas quânticos, métodos de redefinição eficazes para combater a entropia são muito mais difíceis de projetar. Os códigos que usamos são uma forma de descartar essa entropia do sistema, "disse o Professor Flammia, que hoje foi premiado com a prestigiosa Medalha Pawsey pela Academia Australiana de Ciências.

Usando códigos para detectar e descartar erros no dispositivo quântico da IBM, Dr. Harper e Professor Flammia mostraram taxas de erro caindo de 5,8 por cento para 0,60 por cento. Então, ao invés de um em cada 20 portões quânticos falhando, apenas um em 200 fracassaria, uma ordem de magnitude de melhoria.

"Este é um passo importante para desenvolver tolerância a falhas em sistemas quânticos para permitir que eles se expandam para dispositivos significativos, "Dr. Harper disse.

Os físicos, que são ambos pesquisadores do ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems, enfatizou que esta era uma demonstração de portas tolerantes a falhas em pares de qubits.

"Ainda há um longo caminho a percorrer antes que a comunidade quântica possa demonstrar uma computação tolerante a falhas, "Disse o Dr. Harper. Ele disse que outros grupos mostraram melhorias em outras facetas dos dispositivos quânticos usando códigos. A próxima etapa é sintetizar e testar essas abordagens em dispositivos de grande escala de algumas dezenas de qubits que permitem a reutilização e reinicialização de qubits.

Empresas como a IBM, Google, Rigetti e IonQ começaram ou estão prestes a começar a permitir que pesquisadores quânticos testem suas abordagens teóricas nestes pequenos, máquinas barulhentas.

"Esses experimentos são a primeira confirmação de que a capacidade teórica de detectar erros na operação de portas lógicas usando códigos quânticos é vantajosa nos dispositivos atuais, um passo significativo em direção ao objetivo de construir computadores quânticos em grande escala, "Dr. Harper disse.