Pesquisadores da Universidade de Chicago publicaram uma nova técnica para melhorar a confiabilidade dos computadores quânticos, acessando níveis de energia mais altos do que os tradicionalmente considerados. A maioria dos trabalhos anteriores em computação quântica lida com "qubits, "o análogo quântico de bits binários que codificam zero ou um. O novo trabalho, em vez disso, aproveita" qutrits, "análogos quânticos de trits de três níveis capazes de representar zero, um ou dois.

O grupo UChicago trabalhou ao lado de pesquisadores baseados na Duke University. Ambos os grupos fazem parte da colaboração EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), uma expedição da NSF em computação. A pesquisa interdisciplinar do EPiQC abrange desde o desenvolvimento de algoritmos e software até arquitetura e design de hardware, com o objetivo final de realizar mais rapidamente o enorme potencial da computação quântica para a descoberta científica e inovação da computação.

Acessando níveis de energia mais altos

O trabalho pode ser visto no contexto de uma troca de espaço-tempo fundamental que é comum na ciência da computação:os programas podem ser acelerados usando mais memória, ou alternativamente, os programas podem reduzir os requisitos de memória ao incorrer em tempos de execução mais longos. Mas no contexto da computação quântica, onde as máquinas de curto prazo são severamente restringidas na memória e nos tempos de execução suportados, nenhuma dessas compensações é aceitável.

A solução que a equipe EPiQC descobriu foi quebrar a abstração do uso de qubits binários. "Embora a lógica binária faça sentido para a física on-off subjacente aos computadores convencionais, hardware quântico não é inerentemente binário, "explica o pesquisador Pranav Gokhale, um estudante de pós-graduação na Universidade de Chicago. Na verdade, estados em um computador quântico pertencem a um espectro infinito, portanto, o qubit é meramente uma escolha de engenharia artificial de usar apenas dois dos estados.

A equipe descobriu que, ao permitir o uso de três estados por meio de qutrits, uma das operações fundamentais na computação quântica é exponencialmente mais rápida sem exigir memória adicional. A equipe verificou sua descoberta com simulações realizadas em condições de ruído realistas.

"Qutrits têm um custo, uma vez que a presença de um estado adicional implica em mais fontes possíveis de erro, "disse Gokhale." No entanto, nossas simulações demonstram que os qutrits têm uma vantagem convincente com confiabilidade de duas a dez vezes maior do que os algoritmos somente de qubit para benchmarks de curto prazo. "

Preenchendo a lacuna entre hardware e software

A descoberta da equipe combina bem com o foco interdisciplinar do EPiQC em preencher a lacuna entre hardware e software quântico. Uma fase inicial deste trabalho foi apresentada na Conferência de Processamento de Informação Quantum em janeiro deste ano, onde ganhou o prêmio de melhor pôster. Desde então, a pesquisa foi ajustada para corresponder a modelos de hardware sofisticados desenvolvidos em conjunto com especialistas que trabalham em supercondutores e computadores quânticos de íons aprisionados.

"Adaptando algoritmos para aproveitar as vantagens dos recursos exclusivos do hardware quântico, percebemos ganhos de eficiência que, de outra forma, ficam ocultos por trás das barreiras de abstração entre hardware e software, "observa Fred Chong, Seymour Goodman Professor de Ciência da Computação na UChicago e líder PI para EPiQC. "Nesse caso, nossa modelagem de hardware nos levou a revisitar e desafiar a sabedoria convencional de que a operação binária é a melhor para a computação. "

O artigo completo, "Melhorias assintóticas em circuitos quânticos via Qutrits, "agora está publicado no arXiv.