Os laboratórios de todo o mundo estão correndo para desenvolver novos dispositivos de computação e detecção que operem nos princípios da mecânica quântica e possam oferecer vantagens dramáticas em relação aos seus equivalentes clássicos. Mas essas tecnologias ainda enfrentam vários desafios, e uma das mais significativas é como lidar com o "ruído" - flutuações aleatórias que podem erradicar os dados armazenados em tais dispositivos.

Uma nova abordagem desenvolvida por pesquisadores do MIT pode fornecer um avanço significativo na correção de erros quânticos. O método envolve o ajuste fino do sistema para lidar com os tipos de ruído mais prováveis, em vez de lançar uma rede ampla para tentar capturar todas as fontes possíveis de perturbação.

A análise é descrita no jornal Cartas de revisão física , em um artigo do estudante de graduação do MIT David Layden, pós-doutorado Mo Chen, e professora de ciência nuclear e engenharia Paola Cappellaro.

"Os principais problemas que enfrentamos no desenvolvimento de tecnologias quânticas são que os sistemas atuais são pequenos e barulhentos, "diz Layden. Ruído, significando perturbação indesejada de qualquer tipo, é especialmente irritante porque muitos sistemas quânticos são inerentemente altamente sensíveis, um recurso subjacente a algumas de suas aplicações potenciais.

E há outro problema, Layden diz, que é que os sistemas quânticos são afetados por qualquer observação. Então, enquanto se pode detectar que um sistema clássico está à deriva e aplicar uma correção para empurrá-lo de volta, as coisas são mais complicadas no mundo quântico. "O que é realmente complicado sobre os sistemas quânticos é que, quando você olha para eles, você tende a colapsá-los, " ele diz.

Os esquemas clássicos de correção de erros são baseados em redundância. Por exemplo, em um sistema de comunicação sujeito a ruído, em vez de enviar um único bit (1 ou 0), pode-se enviar três cópias de cada (111 ou 000). Então, se os três bits não combinam, isso mostra que houve um erro. Quanto mais cópias de cada bit são enviadas, mais eficaz pode ser a correção de erros.

O mesmo princípio essencial pode ser aplicado para adicionar redundância em bits quânticos, ou "qubits". Mas, Layden diz, "Se eu quiser ter um alto grau de proteção, Preciso dedicar uma grande parte do meu sistema para fazer esse tipo de verificação. E isso é um obstáculo agora porque temos sistemas bastante pequenos; simplesmente não temos os recursos para fazer uma correção de erros quânticos particularmente útil da maneira usual. "Então, em vez disso, os pesquisadores descobriram uma maneira de direcionar a correção de erros de forma muito restrita aos tipos específicos de ruído mais prevalentes.

O sistema quântico com o qual estão trabalhando consiste em núcleos de carbono próximos a um tipo específico de defeito em um cristal de diamante chamado centro de vacância de nitrogênio. Esses defeitos se comportam como únicos, elétrons isolados, e sua presença permite o controle dos núcleos de carbono próximos.

Mas a equipe descobriu que a grande maioria do ruído que afetava esses núcleos vinha de uma única fonte:flutuações aleatórias nos próprios defeitos próximos. Esta fonte de ruído pode ser modelada com precisão, e suprimir seus efeitos pode ter um grande impacto, como outras fontes de ruído são relativamente insignificantes.

"Na verdade, entendemos muito bem a principal fonte de ruído nesses sistemas, "Layden diz." Portanto, não temos que lançar uma rede ampla para capturar todos os tipos hipotéticos de ruído. "

A equipe surgiu com uma estratégia de correção de erros diferente, adaptado para contrariar este particular, fonte dominante de ruído. Como Layden descreve, o ruído vem "deste defeito central, ou este único elétron central, 'que tem uma tendência a pular aleatoriamente. É nervoso. "

Esse tremor, por sua vez, é sentido por todos aqueles núcleos próximos, de uma forma previsível que pode ser corrigida.

"O resultado de nossa abordagem é que somos capazes de obter um nível fixo de proteção usando muito menos recursos do que seriam necessários de outra forma, "ele diz." Podemos usar um sistema muito menor com esta abordagem direcionada. "

O trabalho até agora é teórico, e a equipe está trabalhando ativamente em uma demonstração de laboratório desse princípio em ação. Se funcionar como esperado, isso poderia constituir um componente importante das futuras tecnologias baseadas no quantum de vários tipos, os pesquisadores dizem, incluindo computadores quânticos que poderiam potencialmente resolver problemas anteriormente insolúveis, ou sistemas de comunicação quântica que podem ser imunes a espionagem, ou sistemas de sensores altamente sensíveis.

"Este é um componente que pode ser usado de várias maneiras, "Layden diz." É como se estivéssemos desenvolvendo uma parte fundamental de um motor. Ainda estamos longe de construir um carro completo, mas fizemos progresso em uma parte crítica. "

"A correção de erros quânticos é o próximo desafio para o campo, "diz Alexandre Blais, um professor de física da Universidade de Sherbrooke, no Canadá, que não estava associado a este trabalho. "A complexidade dos atuais códigos de correção de erros quânticos é, Contudo, assustador, pois exigem um grande número de qubits para codificar informações quânticas de forma robusta. "

Blais acrescenta, "Agora percebemos que explorar nosso entendimento dos dispositivos nos quais a correção de erros quânticos deve ser implementada pode ser muito vantajoso. Este trabalho dá uma contribuição importante nessa direção, mostrando que um tipo comum de erro pode ser corrigido em de uma maneira muito mais eficiente do que o esperado. Para que os computadores quânticos se tornem práticos, precisamos de mais ideias como esta. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.