Para construir um computador quântico universal a partir de componentes quânticos frágeis, a implementação efetiva da correção de erros quânticos (QEC) é um requisito essencial e um desafio central. QEC é usado em computação quântica, que tem o potencial de resolver problemas científicos além do escopo dos supercomputadores, para proteger as informações quânticas de erros devido a vários ruídos.

Publicado pela revista Natureza , pesquisa com co-autoria do físico Chen Wang da Universidade de Massachusetts Amherst, alunos de pós-graduação Jeffrey Gertler e Shruti Shirol, e o pesquisador de pós-doutorado Juliang Li dá um passo em direção à construção de um computador quântico tolerante a falhas. Eles perceberam um novo tipo de QEC onde os erros quânticos são corrigidos espontaneamente.

Os computadores de hoje são construídos com transistores que representam bits clássicos (0's ou 1's). A computação quântica é um excitante novo paradigma de computação usando bits quânticos (qubits) onde a superposição quântica pode ser explorada para ganhos exponenciais no poder de processamento. A computação quântica tolerante a falhas pode avançar imensamente na descoberta de novos materiais, inteligência artificial, engenharia bioquímica e muitas outras disciplinas.

Uma vez que os qubits são intrinsecamente frágeis, o desafio mais importante de construir tais computadores quânticos poderosos é a implementação eficiente da correção de erros quânticos. As demonstrações existentes de QEC estão ativas, o que significa que eles exigem a verificação periódica de erros e a correção imediata deles, que é muito exigente em recursos de hardware e, portanto, dificulta o dimensionamento de computadores quânticos.

Em contraste, o experimento dos pesquisadores atinge QEC passivo ajustando o atrito (ou dissipação) experimentado pelo qubit. Porque o atrito é comumente considerado o nêmesis da coerência quântica, este resultado pode parecer bastante surpreendente. O truque é que a dissipação deve ser projetada especificamente de maneira quântica. Esta estratégia geral é conhecida na teoria há cerca de duas décadas, mas uma maneira prática de obter tal dissipação e colocá-la em uso para QEC tem sido um desafio.

"Embora nosso experimento ainda seja uma demonstração bastante rudimentar, finalmente cumprimos esta possibilidade teórica contra-intuitiva de QEC dissipativo, "diz Chen." Olhando para a frente, a implicação é que pode haver mais caminhos para proteger nossos qubits de erros e fazê-lo de forma menos dispendiosa. Portanto, este experimento levanta a perspectiva de construir potencialmente um computador quântico tolerante a falhas útil a médio e longo prazo. "

Chen descreve em termos leigos como o mundo quântico pode ser estranho. "Como no famoso (ou infame) exemplo do físico alemão Erwin Schrödinger, um gato embalado em uma caixa fechada pode estar vivo ou morto ao mesmo tempo. Cada qubit lógico em nosso processador quântico é muito parecido com o gato de um mini-Schrödinger. Na verdade, nós literalmente o chamamos de 'qubit de gato'. Ter muitos desses gatos pode nos ajudar a resolver alguns dos problemas mais difíceis do mundo.

"Infelizmente, é muito difícil manter um gato assim, já que qualquer gás, luz, ou qualquer coisa que vazar na caixa destruirá a magia:o gato ficará morto ou apenas um gato vivo normal, "explica Chen." A estratégia mais direta para proteger o gato de Schrodinger é tornar a caixa o mais apertada possível, mas isso também torna mais difícil usá-lo para computação. O que acabamos de demonstrar foi semelhante a pintar o interior da caixa de uma maneira especial e que de alguma forma ajuda o gato a sobreviver melhor aos danos inevitáveis ​​do mundo exterior. "