Um detector de múon em forma de roda é parte de uma atualização do detector de partículas ATLAS no CERN. Um novo estudo aplica "desdobramento, "ou técnicas de correção de erros usadas para detectores de partículas, a problemas com ruído na computação quântica. Crédito:Julien Marius Ordan / CERN
Pegando emprestado uma página de livros didáticos de física e astronomia de alta energia, uma equipe de físicos e cientistas da computação do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) adaptou e aplicou com sucesso uma técnica comum de redução de erros ao campo da computação quântica.
No mundo das partículas subatômicas e detectores de partículas gigantes, e galáxias distantes e telescópios gigantes, cientistas aprenderam a viver, e para trabalhar, com incerteza. Eles costumam tentar extrair interações de partículas ultra-raras de um enorme emaranhado de outras interações de partículas e "ruído" de fundo que pode complicar sua busca, ou tentando filtrar os efeitos das distorções atmosféricas e da poeira interestelar para melhorar a resolução das imagens astronômicas.
Também, problemas inerentes com detectores, como com sua capacidade de registrar todas as interações de partículas ou medir exatamente as energias das partículas, pode resultar na leitura incorreta dos dados pelos componentes eletrônicos aos quais estão conectados, então os cientistas precisam projetar filtros complexos, na forma de algoritmos de computador, para reduzir a margem de erro e retornar os resultados mais precisos.
Os problemas de ruído e defeitos físicos, e a necessidade de correção de erros e algoritmos de mitigação de erros, que reduzem a frequência e a gravidade dos erros, também são comuns no campo incipiente da computação quântica, e um estudo publicado na revista npj Quantum Information descobriram que parece haver algumas soluções comuns, também.
Ben Nachman, um físico do Berkeley Lab que está envolvido com experimentos de física de partículas no CERN como membro do grupo ATLAS do Berkeley Lab, viu a conexão de computação quântica enquanto trabalhava em um cálculo de física de partículas com Christian Bauer, um físico teórico do Berkeley Lab que é co-autor do estudo. ATLAS é um dos quatro detectores de partículas gigantes do Large Hadron Collider do CERN, o maior e mais poderoso colisor de partículas do mundo.
"Na ATLAS, muitas vezes temos que 'desdobrar, 'ou correto para efeitos de detector, "disse Nachman, o principal autor do estudo. "As pessoas vêm desenvolvendo essa técnica há anos."
Em experimentos no LHC, partículas chamadas prótons colidem a uma taxa de cerca de 1 bilhão de vezes por segundo. Para lidar com esta incrivelmente ocupada, ambiente "ruidoso" e problemas intrínsecos relacionados à resolução de energia e outros fatores associados aos detectores, os físicos usam técnicas de correção de erros de "desdobramento" e outros filtros para separar essa confusão de partículas até as mais úteis, dados precisos.
"Percebemos que os computadores quânticos atuais são muito barulhentos, também, "Nachman disse, portanto, encontrar uma maneira de reduzir esse ruído e minimizar os erros - mitigação de erros - é a chave para o avanço da computação quântica. "Um tipo de erro está relacionado às operações reais que você faz, e um refere-se à leitura do estado do computador quântico, "ele observou - esse primeiro tipo é conhecido como um erro de portão, e o último é chamado de erro de leitura.
O estudo mais recente concentra-se em uma técnica para reduzir os erros de leitura, chamado de "desdobramento bayesiano iterativo" (IBU), que é familiar à comunidade da física de alta energia. O estudo compara a eficácia desta abordagem com outras técnicas de correção e mitigação de erros. O método IBU é baseado no teorema de Bayes, que fornece uma maneira matemática de encontrar a probabilidade de um evento ocorrer quando há outras condições relacionadas a esse evento que já são conhecidas.
Nachman observou que esta técnica pode ser aplicada ao análogo quântico dos computadores clássicos, conhecidos como computadores quânticos baseados em portas universais.
Esses gráficos mostram a conexão entre medições físicas de alta energia classificadas relacionadas ao espalhamento de partículas - chamadas de medições de seção transversal diferencial (à esquerda) - e medições repetidas de resultados de computadores quânticos (à direita). Essas semelhanças fornecem uma oportunidade de aplicar técnicas semelhantes de mitigação de erros aos dados de ambos os campos. Crédito:Berkeley Lab; npj Quantum Inf 6, 84 (2020), DOE:10.1038 / s41534-020-00309-7
Na computação quântica, que depende de bits quânticos, ou qubits, para transportar informações, o estado frágil conhecido como superposição quântica é difícil de manter e pode deteriorar ao longo do tempo, fazendo com que um qubit exiba um zero em vez de um - este é um exemplo comum de erro de leitura.
A superposição fornece que um bit quântico pode representar um zero, um, ou ambas as quantidades ao mesmo tempo. Isso permite recursos de computação exclusivos que não são possíveis na computação convencional, que dependem de bits que representam um ou zero, mas não ambos ao mesmo tempo. Outra fonte de erro de leitura em computadores quânticos é simplesmente uma medição defeituosa do estado de um qubit devido à arquitetura do computador.
No estudo, os pesquisadores simularam um computador quântico para comparar o desempenho de três técnicas diferentes de correção de erros (ou mitigação ou desdobramento de erros). Eles descobriram que o método IBU é mais robusto em ambientes muito barulhentos, ambiente sujeito a erros, e superou ligeiramente os outros dois na presença de padrões de ruído mais comuns. Seu desempenho foi comparado a um método de correção de erros chamado Ignis, que faz parte de uma coleção de ferramentas de desenvolvimento de software de computação quântica de código aberto desenvolvidas para os computadores quânticos da IBM, e uma forma muito básica de desdobramento conhecida como método de inversão de matriz.
Os pesquisadores usaram o ambiente de computação quântica simulada para produzir mais de 1, 000 pseudo-experimentos, e descobriram que os resultados do método IBU eram os mais próximos das previsões. Os modelos de ruído usados para esta análise foram medidos em um computador quântico de 20 qubit chamado IBM Q Johannesburg.
"Pegamos uma técnica muito comum da física de alta energia, e aplicou-o à computação quântica, e funcionou muito bem, como deveria, "Nachman disse. Houve uma curva de aprendizado íngreme." Eu tive que aprender todo tipo de coisa sobre computação quântica para ter certeza de que sabia como traduzir isso e implementá-lo em um computador quântico. "
Ele disse que também teve a sorte de encontrar colaboradores para o estudo com experiência em computação quântica no Berkeley Lab, incluindo Bert de Jong, que lidera uma equipe de Algoritmos Quânticos do Escritório do DOE de Pesquisa em Computação Científica Avançada e um projeto de Pesquisa Acelerada para Computação Quântica na Divisão de Pesquisa Computacional do Laboratório de Berkeley.
"É emocionante ver como a abundância de conhecimento que a comunidade da física de alta energia desenvolveu para obter o máximo dos experimentos barulhentos pode ser usada para obter mais dos computadores quânticos barulhentos, "de Jong disse.
Os computadores quânticos simulados e reais usados no estudo variaram de cinco qubits a 20 qubits, e a técnica deve ser escalonável para sistemas maiores, Disse Nachman. Mas as técnicas de correção e mitigação de erros que os pesquisadores testaram exigirão mais recursos de computação à medida que o tamanho dos computadores quânticos aumenta, então, Nachman disse que a equipe está focada em como tornar os métodos mais gerenciáveis para computadores quânticos com matrizes de qubit maiores.
Nachman, Bauer, e de Jong também participou de um estudo anterior que propõe uma maneira de reduzir os erros de portão, que é a outra fonte importante de erros de computação quântica. Eles acreditam que a correção de erros e a mitigação de erros na computação quântica podem, em última análise, exigir uma abordagem combinada - usando uma combinação de várias técnicas.
"É um momento emocionante, "Nachman disse, já que o campo da computação quântica ainda é jovem e há muito espaço para inovação. "As pessoas pelo menos entenderam a mensagem sobre esses tipos de abordagem, e ainda há espaço para progresso ". Ele observou que a computação quântica forneceu um" impulso para pensar sobre os problemas de uma nova maneira, "adicionando, "Abriu um novo potencial científico."