Circuitos quânticos, os blocos de construção dos computadores quânticos, use efeitos da mecânica quântica para realizar tarefas. Eles são muito mais rápidos e precisos do que os circuitos clássicos encontrados em dispositivos eletrônicos hoje. Na realidade, Contudo, nenhum circuito quântico está completamente livre de erros. Maximizar a eficiência de um circuito quântico é de grande interesse para cientistas de todo o mundo.

Pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) agora abordaram esse problema usando um análogo matemático. Eles desenvolveram um algoritmo para contar explicitamente o número de recursos de computação necessários, e otimizado para obter a máxima eficiência.

"Fomos capazes de [teoricamente] construir o circuito mais eficiente e reduzir a quantidade de recursos necessária por um fator enorme, "diz Aninda Sinha, Professor Associado do Centro de Física de Altas Energias, IISc, e autor correspondente do artigo publicado em Cartas de revisão física . Os pesquisadores também sugerem que esta é a eficiência máxima possível alcançável para um circuito quântico.

Otimizar a eficiência do circuito quântico é útil em vários campos, especialmente a computação quântica. Não só os computadores quânticos fornecerão resultados mais rápidos e precisos do que os computadores clássicos, eles também serão mais seguros - eles não podem ser hackeados, o que os torna úteis para proteção contra fraude bancária digital, violações de segurança e roubo de dados. Eles também podem ser usados ​​para lidar com tarefas complicadas, como otimizar problemas de transporte e simular o mercado financeiro.

Os circuitos clássicos consistem em portas lógicas universais (como portas NAND e NOR), cada um dos quais executa operações predefinidas na entrada para produzir uma saída.

"Analogamente, existem portas quânticas universais para fazer circuitos quânticos. Na realidade, os portões não são 100% eficientes; sempre há um erro associado à saída de cada porta. E esse erro não pode ser removido; ele simplesmente continua adicionando para cada porta usada no circuito, "diz Pratik Nandy, Ph.D. de Sinha aluno e co-autor do artigo.

O circuito mais eficiente não minimiza o erro na saída; em vez disso, minimiza os recursos necessários para obter a mesma saída. "Portanto, a questão se resume a:dada uma tolerância de erro líquida, qual é o número mínimo de portas necessárias para construir um circuito quântico? "diz Nandy.

Em 2006, um estudo liderado por Michael Nielsen, um ex-membro do corpo docente da Universidade de Queensland, mostraram que contar o número de portas para atingir a eficiência máxima é equivalente a encontrar o caminho com a distância mais curta entre dois pontos em algum espaço matemático com volume V. Um estudo separado de 2016 argumentou que esse número deveria variar diretamente com V.

"Voltamos ao trabalho original de Nielsen e descobrimos que sua contagem de portão não oferece uma variação com V, em vez disso, varia com V ² , "diz Sinha. Ele e sua equipe generalizaram as suposições desse estudo e introduziram algumas modificações para resolver o problema de otimização." Nossos cálculos revelaram que o número mínimo de portas de fato varia diretamente com o volume, " ele diz.

Surpreendentemente, seus resultados também parecem ligar o problema de otimização de eficiência com a teoria das cordas, uma ideia famosa que tenta combinar gravidade e física quântica para explicar como o universo funciona. Sinha e sua equipe acreditam que essa ligação pode ser útil para ajudar os cientistas a interpretar teorias que envolvem a gravidade. Eles também visam desenvolver métodos que descrevam uma coleção de circuitos quânticos para calcular certas quantidades experimentais que não podem ser teoricamente simuladas usando os métodos existentes.