Independentemente do que compõe as entranhas de um computador quântico, todos os seus cálculos rápidos se resumem a sequências de instruções simples aplicadas a qubits - as unidades básicas de informação dentro de um computador quântico.

Quer esse computador seja feito de cadeias de íons, junções de supercondutores, ou chips de silício, Acontece que um punhado de operações simples, que afetam apenas um ou dois qubits por vez, pode misturar e combinar para criar qualquer programa de computador quântico - um recurso que torna um punhado específico "universal". Os cientistas chamam essas operações simples de portas quânticas, e eles passaram anos otimizando a maneira como as portas se encaixam. Eles cortaram o número de portas (e qubits) necessários para um determinado cálculo e descobriram como fazer tudo, garantindo que os erros não se infiltrem e causem uma falha.

Agora, pesquisadores da JQI descobriram maneiras de implementar robustos, portas resistentes a erros usando apenas um número constante de blocos de construção simples - alcançando essencialmente a melhor redução possível em um parâmetro chamado profundidade do circuito. Suas descobertas, que se aplicam a computadores quânticos com base em códigos de correção de erros quânticos topológicos, foram relatados em dois artigos publicados recentemente nas revistas Cartas de revisão física e Revisão Física B , e expandido em um terceiro artigo publicado anteriormente no jornal Quantum.

A profundidade do circuito conta o número de portas que afetam cada qubit, e uma profundidade constante significa que o número de portas necessárias para uma determinada operação não aumentará à medida que o computador cresce - uma necessidade se os erros devem ser mantidos à distância. Este é um recurso promissor para computadores quânticos robustos e universais, diz Maissam Barkeshli, um JQI Fellow e um professor associado de física na University of Maryland (UMD).

"Descobrimos que uma enorme classe de operações em estados topológicos da matéria e códigos de correção de erros topológicos podem ser implementados por meio de circuitos unitários de profundidade constante, "diz Barkeshli, que também é membro do Centro de Teoria da Matéria Condensada da UMD.

Ao contrário de outros tipos de computadores quânticos, os computadores quânticos construídos sobre a correção de erros topológicos - que até agora só foram estudados teoricamente - não armazenam informações em qubits físicos individuais. Em vez de, eles espalham o valor de um único qubit de informação entre uma rede de muitos qubits - ou, mais exoticamente, em materiais topológicos especiais.

Essa mancha de informações fornece resiliência contra bits dispersos de luz ou pequenas vibrações - distúrbios quânticos que podem causar erros - e permite que pequenos erros sejam detectados e corrigidos ativamente durante um cálculo. É uma das principais vantagens que os computadores quânticos baseados na correção de erros topológicos oferecem. Mas a vantagem tem um custo:se o ruído não chegar às informações facilmente, nem você pode.

Até agora parecia que operar um computador quântico requeria pequenas, mudanças sequenciais na rede que armazena as informações - muitas vezes representadas como uma grade ou treliça em duas dimensões. Em tempo, essas pequenas mudanças somam-se e efetivamente movem uma região da rede em um loop em torno de outra região, deixando a rede com a mesma aparência de quando começou.

Essas transformações da rede são conhecidas como tranças, porque os padrões que elas traçam no espaço e no tempo parecem cabelos trançados ou um pão trançado. Se você imaginar o empilhamento de instantâneos da rede como panquecas, eles formarão - passo a passo - uma trança abstrata. Dependendo da física subjacente da rede - incluindo os tipos de partículas, chamados anyons, que pode pular nele - essas tranças podem ser o suficiente para executar qualquer programa quântico.

No novo trabalho, os autores mostraram que a trança pode ser realizada quase instantaneamente. Longe vão os diagramas atados, substituído por rearranjos in-situ da rede.

"Era uma espécie de dogma de livro que essas tranças só podem ser feitas adiabaticamente ou muito lentamente para evitar a criação de erros no processo, "diz Guanyu Zhu, um ex-pesquisador de pós-doutorado em JQI que atualmente é membro da equipe de pesquisa do IBM Thomas J. Watson Research Center. "Contudo, nesse trabalho, percebemos que, em vez de mover regiões lentamente com anyons ao redor uns dos outros, poderíamos apenas esticar ou apertar o espaço entre eles em um número constante de passos. "

A nova receita requer dois ingredientes. Um é a capacidade de fazer modificações locais que reconfiguram as interações entre os qubits físicos que constituem a rede. Esta parte não é muito diferente do que exige uma trança comum, mas presume-se que aconteça em paralelo em toda a região que está sendo trançada. O segundo ingrediente é a capacidade de trocar as informações em qubits físicos que não estão próximos uns dos outros - potencialmente até em cantos opostos da região de trança.

Este segundo requisito é uma grande exigência para algum hardware de computação quântica, mas os autores dizem que existem sistemas que naturalmente poderiam suportá-lo.

"Uma variedade de plataformas experimentais com conectividade de longo alcance podem apoiar nosso esquema, incluindo armadilhas de íons, sistemas QED de circuito com ressonadores de longa linha de transmissão, arquiteturas modulares com cavidades supercondutoras, e dispositivos fotônicos de silício, "diz Zhu." Ou você poderia imaginar o uso de plataformas com qubits móveis. Pode-se pensar em plataformas como computadores quânticos fluidos, onde os qubits podem fluir livremente através do movimento clássico. "

No jornal em Cartas de revisão física , os autores forneceram instruções explícitas sobre como obter suas tranças instantâneas em uma classe particular de códigos quânticos topológicos. No Revisão Física B e Quantum papéis, eles estenderam este resultado para uma configuração mais geral e até examinaram como isso se aplicaria a um código topológico no espaço hiperbólico (onde, Adicionalmente, adicionar um novo qubit manchado requer adicionar apenas um número constante de qubits físicos à rede).

Os autores ainda não descobriram como suas novas técnicas de trança se integrarão aos objetivos adicionais de detectar e corrigir erros; isso permanece um problema aberto para pesquisas futuras.

"Esperamos que nossos resultados possam ser úteis para estabelecer a possibilidade de computação quântica tolerante a falhas com sobrecarga espaço-temporal constante, "diz Barkeshli.