Os computadores quânticos podem superar os computadores clássicos em muitas tarefas, mas apenas se os erros que são uma parte inevitável das tarefas computacionais forem isolados, em vez de eventos generalizados. Agora, pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison encontraram evidências de que os erros estão correlacionados em todo um chip de computação quântica supercondutor - destacando um problema que deve ser reconhecido e tratado na busca por computadores quânticos tolerantes a falhas.

Os pesquisadores relatam suas descobertas em um estudo publicado em 16 de junho na revista. Natureza , Mais importante, seu trabalho também aponta para estratégias de mitigação.

"Acho que as pessoas têm abordado o problema da correção de erros de uma forma excessivamente otimista, assumir cegamente que os erros não são correlacionados, "diz o professor de física da UW-Madison, Robert McDermott, autor sênior do estudo. "Nossos experimentos mostram absolutamente que os erros são correlacionados, mas à medida que identificamos problemas e desenvolvemos uma compreensão física profunda, vamos encontrar maneiras de contorná-los. "

Os bits em um computador clássico podem ser 1 ou 0, mas os qubits em um computador quântico podem ser 1, 0, ou uma mistura arbitrária - uma superposição - de 1 e 0. Bits clássicos, então, só pode cometer erros de bit flip, como quando 1 muda para 0. Qubits, Contudo, pode cometer dois tipos de erro:bit flips ou phase flips, onde um estado de superposição quântica muda.

Para corrigir erros, os computadores devem monitorá-los à medida que acontecem. Mas as leis da física quântica dizem que apenas um tipo de erro pode ser monitorado por vez em um único qubit, portanto, um protocolo inteligente de correção de erros denominado código de superfície foi proposto. O código de superfície envolve uma grande variedade de qubits conectados - alguns fazem o trabalho computacional, enquanto outros são monitorados para inferir erros nos qubits computacionais. Contudo, o protocolo de código de superfície funciona de forma confiável apenas se os eventos que causam erros forem isolados, afetando no máximo alguns qubits.

Em experimentos anteriores, O grupo de McDermott havia percebido indícios de que algo estava fazendo com que vários qubits girassem ao mesmo tempo. Neste novo estudo, eles perguntaram diretamente:esses flips são independentes, ou eles estão correlacionados?

A equipe de pesquisa projetou um chip com quatro qubits feitos de elementos supercondutores de nióbio e alumínio. Os cientistas resfriam o chip até quase o zero absoluto, o que o torna supercondutor e o protege de interferências causadoras de erros do ambiente externo.

Para avaliar se qubit flips foram correlacionados, os pesquisadores mediram as flutuações na carga de compensação para todos os quatro qubits. A carga de compensação flutuante é efetivamente uma mudança no campo elétrico no qubit.

A equipe observou longos períodos de estabilidade relativa seguidos por saltos repentinos na carga compensada. Quanto mais próximos dois qubits estivessem juntos, é mais provável que saltem ao mesmo tempo. Essas mudanças repentinas foram provavelmente causadas por raios cósmicos ou radiação de fundo no laboratório, que ambos liberam partículas carregadas. Quando uma dessas partículas atinge o chip, ele libera cargas que afetam os qubits próximos.

Este efeito local pode ser facilmente mitigado com mudanças simples de design. A maior preocupação é o que pode acontecer a seguir.

"Se nosso modelo sobre os impactos das partículas estiver correto, então esperaríamos que a maior parte da energia seja convertida em vibrações no chip que se propagam por longas distâncias, "diz Chris Wilen, estudante de pós-graduação e principal autor do estudo. "À medida que a energia se espalha, a perturbação levaria a qubit flips que são correlacionados em todo o chip. "

Em seu próximo conjunto de experimentos, esse efeito é exatamente o que eles viram. Eles mediram saltos de carga em um qubit, como nos experimentos anteriores, em seguida, usou o tempo desses saltos para alinhar as medições dos estados quânticos de dois outros qubits. Esses dois qubits devem sempre estar no estado computacional 1. No entanto, os pesquisadores descobriram que sempre que viram um salto de carga no primeiro qubit, os outros dois - não importa a distância no chip - mudaram rapidamente do estado computacional 1 para o estado 0.

"É um efeito de longo alcance, e é muito prejudicial, "Wilen diz." Está destruindo as informações quânticas armazenadas nos qubits.

Embora este trabalho possa ser visto como um retrocesso no desenvolvimento de computadores quânticos supercondutores, os pesquisadores acreditam que seus resultados guiarão novas pesquisas para esse problema. Grupos da UW-Madison já estão trabalhando em estratégias de mitigação.

"À medida que nos aproximamos do objetivo final de um computador quântico tolerante a falhas, vamos identificar um novo problema após o outro, "McDermott diz." Isso é apenas parte do processo de aprender mais sobre o sistema, fornecendo um caminho para a implementação de projetos mais resilientes. "