Um grande desafio técnico para qualquer prática, O computador quântico do mundo real surge da necessidade de um grande número de qubits físicos para lidar com erros que se acumulam durante a computação. Essa correção de erros quânticos consome muitos recursos e consome muito tempo computacional. Mas os pesquisadores descobriram um método de software eficaz que permite compressão significativa de circuitos quânticos, relaxando as demandas colocadas no desenvolvimento de hardware.

Os computadores quânticos ainda podem estar longe de uma realidade comercial, mas o que é denominado "vantagem quântica" - a capacidade de um computador quântico de computar centenas ou milhares de vezes mais rápido do que um computador clássico - foi de fato alcançada nos chamados dispositivos Quânticos de Escala Intermediária Ruidosa (NISQ) na prova inicial de - experimentos principais.

Infelizmente, Os dispositivos NISQ ainda estão sujeitos a muitos erros que se acumulam durante sua operação. Para que haja qualquer aplicação de vantagem quântica no mundo real, o projeto de um computador quântico de grande escala totalmente operacional com alta tolerância a erros é necessário. Atualmente, Os dispositivos NISQ podem ser projetados com aproximadamente 100 qubits, mas os computadores tolerantes a falhas precisariam de milhões de qubits físicos no mínimo para codificar as informações lógicas com taxas de erro suficientemente baixas. Uma implementação tolerante a falhas de circuitos computacionais quânticos não só torna o computador quântico maior, mas também o tempo de execução mais longo em ordens de magnitude. Um tempo de execução estendido, por sua vez, significa que a computação é ainda mais suscetível a erros.

Embora os avanços em hardware possam resolver essa lacuna de recursos, pesquisadores do National Institute of Informatics (NII) e da Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) no Japão resolveram o problema do lado do desenvolvimento de software, comprimindo circuitos quânticos em computadores quânticos tolerantes a falhas em grande escala, reduzindo potencialmente a necessidade de melhorias de hardware.

"Ao comprimir circuitos quânticos, poderíamos reduzir o tamanho do computador quântico e seu tempo de execução, o que, por sua vez, diminui a necessidade de proteção contra erros, "disse Michael Hanks, um pesquisador do NII e um dos autores de um artigo, publicado em 11 de novembro em Revisão Física X .

Arquiteturas de computador quântico em grande escala dependem de um código de correção de erro para funcionar corretamente, o mais comumente usado é o código de superfície e suas variantes.

Os pesquisadores se concentraram na compressão do circuito de uma dessas variantes:o código topológico 3-D. Este código se comporta particularmente bem para abordagens de computador quântico distribuído e tem ampla aplicabilidade a diferentes variedades de hardware. No código topológico 3D, circuitos quânticos parecem tubos ou canos entrelaçados, e são comumente chamados de "circuitos trançados. Os diagramas 3-D de circuitos trançados podem ser manipulados para comprimir e, assim, reduzir o volume que ocupam. Até agora, o desafio tem sido que essa "manipulação de tubos" seja realizada de forma ad-hoc. Além disso, houve apenas regras parciais sobre como fazer isso.

"As abordagens de compressão anteriores não podem garantir se o circuito quântico resultante está correto, "disse a co-autora Marta Estarellas, pesquisador do NII. “É preciso ter muito cuidado para verificar se está correto cada vez que uma dessas regras de compressão é aplicada. Esta é uma questão importante, como tal, essa tarefa é tão difícil quanto operar todo o circuito quântico. "

A equipe de pesquisa propõe o uso do ZX-calculus como uma linguagem para esta etapa intermediária de compilação. ZX-calculus é uma linguagem diagramática 2-D (usando diagramas e imagens em vez de palavras) desenvolvida no final dos anos 2000 expressamente para permitir uma representação intuitiva dos processos qubit. Mais importante, ele vem com um conjunto completo de regras de manipulação.

Em seu jornal, os pesquisadores aproveitam o ZX-cálculo descobrindo as relações de translação entre o ZX-cálculo e os componentes do circuito trançado. Os pesquisadores mostraram que essas duas representações de circuitos de portas lógicas podem ser mapeadas uma à outra, identificando uma nova interpretação que estava oculta dentro do cálculo ZX o tempo todo.

A linguagem de cálculo ZX pode aplicar um conjunto de regras de transformação para alterar a estrutura do circuito sem alterar seu significado matemático subjacente (e, portanto, sua operação) e, portanto, garantir sua correção. Ao alterar essa estrutura conceitual com cuidado, o volume do circuito pode ser minimizado, alcançando taxas de compressão consideráveis, uma vez que esta nova estrutura é mapeada para o circuito quântico trançado real.

Aplicando esta técnica, os pesquisadores relatam reduções de compressão de até 77 por cento, equivalente a uma redução de 40 por cento em comparação com os melhores esforços anteriores.

"O método de compressão e seu desenvolvimento posterior podem fornecer a realização de um computador quântico tolerante a falhas do mundo real anos antes do previsto, "disse William J. Munro, um cientista pesquisador da NTT, que também contribuíram com a pesquisa.

"Interessantemente, também pode ser a base para o desenvolvimento futuro de sistemas operacionais, "disse Kae Nemoto, Diretor do Centro de Pesquisa Global para Ciência da Informação Quântica no NII. "Ainda pode levar muitos anos para que esses desenvolvimentos de software sejam implementados em computadores quânticos totalmente escalonáveis, mas nosso método pode economizar um grande esforço associado ao desenvolvimento de hardware nesse ínterim. "