Cientistas na Austrália desenvolveram uma nova abordagem para reduzir os erros que afetam os computadores quânticos experimentais; uma etapa que poderia remover um obstáculo crítico, impedindo-os de aumentar a escala para máquinas totalmente funcionais.

Aproveitando o espaço geométrico infinito de um sistema quântico particular composto de bósons, Os pesquisadores, liderado pelo Dr. Arne Grimsmo da Universidade de Sydney, desenvolveram códigos de correção de erros quânticos que devem reduzir o número de interruptores quânticos físicos, ou qubits, necessário para aumentar essas máquinas para um tamanho útil.

"A beleza desses códigos é que eles são 'agnósticos de plataforma' e podem ser desenvolvidos para funcionar com uma ampla gama de sistemas de hardware quântico, "Dr. Grimsmo disse.

"Muitos tipos diferentes de códigos de correção de erros bosônicos foram demonstrados experimentalmente, como 'códigos cat' e 'códigos binomiais', "disse ele." O que fizemos em nosso artigo foi unificar esses e outros códigos em uma estrutura comum. "

A pesquisa, publicado esta semana em Revisão Física X , foi escrito em conjunto com o Dr. Joshua Combes da University of Queensland e o Dr. Ben Baragiola da RMIT University. A colaboração ocorre entre dois centros de pesquisa quântica líderes na Austrália, o Centro de Excelência ARC para Máquinas Quânticas Projetadas e o Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação.

Qubits robustos

"Nossa esperança é que a robustez oferecida por 'espaçar as coisas' em um espaço de Hilbert infinito forneça um qubit muito robusto, porque pode tolerar erros comuns como perda de fótons, "disse o Dr. Grimsmo, do Nano Institute e School of Physics da University of Sydney.

Cientistas em universidades e em empresas de tecnologia em todo o planeta estão trabalhando para construir um sistema universal, computador quântico tolerante a falhas. A grande promessa desses dispositivos é que eles podem ser usados ​​para resolver problemas além do alcance dos supercomputadores clássicos em campos tão variados quanto a ciência dos materiais, descoberta e segurança de drogas e criptografia.

Com o Google declarando no ano passado que possui uma máquina que alcançou a 'supremacia quântica' - realizando uma tarefa indiscutivelmente inútil, mas além do escopo de um computador clássico - o interesse no campo da computação quântica e engenharia continua a crescer.

Mas para construir uma máquina quântica que pode fazer qualquer coisa útil vai exigir milhares, senão milhões de bits quânticos operando sem serem sobrecarregados de erros.

E qubits são, por sua própria natureza, sujeito a erros. A "quanticidade" que lhes permite realizar um tipo completamente diferente de operação de computação significa que são altamente frágeis e suscetíveis a interferências eletromagnéticas e outras.

Identificando, remover e reduzir erros na computação quântica é uma das tarefas centrais que os físicos que trabalham nesta área enfrentam.

Superposições frágeis

Os computadores quânticos realizam suas tarefas codificando informações utilizando a superposição quântica - uma faceta fundamental da natureza em que o resultado final de um sistema físico não é resolvido até que seja medido. Até aquele ponto, a informação existe em um estado de múltiplos resultados possíveis.

Dr. Grimsmo disse:"Um dos desafios mais fundamentais para a realização de computadores quânticos é a natureza frágil das superposições quânticas. Felizmente, é possível superar esse problema usando a correção de erros quânticos. "

Isso é feito codificando informações de forma redundante, permitindo a correção de erros conforme eles acontecem durante uma computação quântica. A abordagem padrão para conseguir isso é usar um grande número de partículas distinguíveis como portadores de informação. Exemplos comuns são matrizes de elétrons, íons aprisionados ou circuitos elétricos quânticos.

Contudo, isso cria uma grande rede de 'qubits físicos' para operar um único, qubit lógico que faz o trabalho de processamento de que você precisa.

Essa necessidade de criar uma grande rede de qubits físicos para suportar o trabalho de um único qubit operacional é uma barreira não trivial para a construção de máquinas quânticas em grande escala.

Bósons indistinguíveis

Dr. Grimsmo disse:"Neste trabalho, consideramos uma abordagem alternativa baseada na codificação de informações quânticas em coleções de bósons. "O tipo mais comum de bóson é o fóton, um pacote de energia eletromagnética e 'partícula de luz' sem massa.

Ao capturar bósons em uma determinada micro-ondas ou cavidade óptica, eles se tornam indistinguíveis um do outro, diferente, dizer, uma série de íons presos, que são identificáveis ​​por sua localização.

"A vantagem desta abordagem é que um grande número de bósons pode ser preso em um único sistema quântico, como fótons presos em uma cavidade óptica ou de microondas de alta qualidade, "Dr. Grimsmo disse." Isso poderia reduzir drasticamente o número de sistemas físicos necessários para construir um computador quântico. "

Os pesquisadores esperam que seu trabalho fundamental ajude a construir um roteiro para a tolerância a falhas na computação quântica.