Quando os computadores compartilham informações uns com os outros, a informação é codificada em bits, em seguida, decodificado de volta à sua forma original. No processo, partes da informação às vezes ficam embaralhadas, ou perdido. Como um exemplo simplificado, um e-mail decodificado incorretamente que diz "Estou enviando o dinheiro agora para você" pode chegar ao seu destino dizendo "Não estou enviando o dinheiro para você".

Outro exemplo:quando você salva um documento em seu computador, você espera que ele contenha as mesmas informações ao reabri-lo. E, se você pedir a um computador para resolver a equação 2 + 2, você precisa confiar que ele vai cuspir 4. Isso é ainda mais importante para equações complexas que você não pode calcular sozinho, como os valores de x, y e z na equação diofantina x ³ + y ³ + z ³ =42.

Bane Vasic, professor de engenharia elétrica e da computação e diretor do Laboratório de Correção de Erros da University of Arizona College of Engineering, é especialista em códigos de correção de erros, que garantem que as informações compartilhadas e calculadas pelos computadores sejam devidamente decodificadas antes de chegar ao seu destino. Ele também estuda tolerância a falhas, ou a capacidade de um computador ou rede de computadores de continuar funcionando quando um ou mais de seus componentes falharem.

Vasic foi fundamental no desenvolvimento de uma classe de códigos de correção de erros - chamados de códigos de verificação de paridade de baixa densidade, ou códigos LDPC - amplamente usados ​​em comunicações clássicas e armazenamento de dados. Em um projeto financiado por US $ 1,1 milhão da National Science Foundation, Vasic está fazendo parceria com Saikat Guha no James C. Wyant College of Optical Sciences para testar a viabilidade dos códigos quânticos LDPC em computadores quânticos pela primeira vez.

Aplicando uma técnica clássica a redes quânticas

Enquanto x ³ + y ³ + z ³ =42 é uma equação complexa, é possível resolver para x, yez com computação clássica. Na verdade, em 2019, um grupo de cientistas usou uma rede de computadores clássicos para fazer exatamente isso. Demorou mais de um milhão de horas de cálculo. A computação quântica tem o potencial de resolver equações como esta em apenas alguns segundos.

"Por meio da computação quântica, seremos capazes de analisar fenômenos muito complicados, e para resolver problemas que não podem ser resolvidos por computadores clássicos. E isso será feito muito rápido, "Disse Vasic." Existem aplicações em biologia; Medicina; finanças; a simulação do físico, sistemas químicos e biológicos; a descoberta de novos materiais; e o design das moléculas. "

Como isso é possível? A computação clássica armazena informações em unidades chamadas bits, que existem como 0s ou 1s. A computação quântica usa unidades chamadas qubits, que pode existir em vários estados simultaneamente. A superposição de estados é o que permite ultra-velocidade, computação futurística. Contudo, como qubits são fisicamente realizados como partículas subatômicas, este estado é muito frágil para criar e manter, tornando os qubits mais propensos a erros, ou decoerência, do que bits.

Os físicos teóricos agora especulam que os qubits também são o que compõem o espaço-tempo, ou a estrutura do universo. E pesquisas recentes indicaram que a correção de erros quânticos explica por que o espaço-tempo é tão robusto, apesar de seus blocos de construção frágeis.

Na verdade, Os qubits são tão sensíveis que o próprio ato de medi-los pode causar mudanças. Atualmente, a correção de erros quânticos envolve primeiro observar cuidadosamente os qubits e registrar as descobertas como informações clássicas. Então, um computador clássico calcula o que está errado, e os cientistas transferem as informações de correção de erros para o sistema quântico.

"Neste projeto, estamos investigando métodos em que não deixamos o mundo quântico, então todas as operações também serão quânticas, ", Disse Vasic." Queremos explorar se a decodificação pode ser feita pelo processamento de informações quânticas.

Passando mensagens para atenuar o ruído

Os computadores de hoje são compostos de bilhões de blocos de construção básicos chamados portas lógicas. Essas portas aplicam diferentes operações às informações binárias que estão sendo processadas. Por exemplo, um dos tipos mais simples de portas é NÃO, que transforma os bits em seus opostos recebendo 0s e gerando 1s e vice-versa. Contudo, às vezes a interferência do sinal e o ruído fazem com que os portões cometam erros, o que leva a resultados incorretos. Os portões quânticos realizam operações mais versáteis e exóticas do que seus parentes clássicos, mas são mais barulhentos e propensos a erros.

Os códigos de correção de erros emaranham os qubits de uma maneira muito específica para que os qubits se estabilizem. Os decodificadores do Vasic permitem que os qubits transmitam informações uns sobre os outros. Algoritmos de passagem de mensagens semelhantes são usados ​​em inteligência artificial. Nenhum dos bits individuais tem um conhecimento completo do valor de outros bits, mas juntos - por meio da passagem de mensagens - eles aprendem coletivamente se há erros e exatamente em quais bits eles estão localizados. Este novo projeto se concentra no desenvolvimento de uma versão quântica de tais algoritmos de inteligência artificial.

"A maior vantagem dos códigos LDPC é que eles suportam esses tipos de algoritmos de passagem de mensagens, que são tolerantes a falhas, "Disse Vasic." Em sistemas quânticos, temos que ter tolerância a falhas, Porque, devido ao maior nível de ruído, portas quânticas são ordens de magnitude mais ruidosas e menos confiáveis ​​do que portas lógicas clássicas. "

Vasic e vários outros membros do corpo docente de engenharia também fazem parte do recém-criado Center for Quantum Networks, um de cinco anos, US $ 26 milhões NSF Engineering Research Center liderado pela Universidade do Arizona. O Centro, dirigido por Guha, visa lançar as bases para a internet quântica, e a correção de erros representa uma parte crítica do empreendimento.

"Esta é uma peça que faltava para realizar computadores quânticos e redes, ", Disse Vasic." Esses códigos LDPC quânticos são a próxima geração de códigos que serão usados, mas temos que desenvolver algoritmos para decodificar com eficiência e tolerância a falhas. "

"Com a recente contratação de vários novos membros do corpo docente especializados em engenharia quântica, a faculdade e a universidade estão se posicionando na vanguarda deste campo, "disse David W. Hahn, Craig M. Berge reitor da Faculdade de Engenharia. "Temos a sorte de ter pesquisadores como o Dr. Vasic trazendo sua experiência e expertise inestimável para a mesa."