O nerfeito de Pobody - nem mesmo o indiferente, calcular bits que são a base dos computadores. Mas o grupo do companheiro JQI Christopher Monroe, junto com colegas da Duke University, fizeram progressos no sentido de garantir que podemos confiar nos resultados dos computadores quânticos, mesmo quando eles são construídos a partir de peças que às vezes falham. Eles mostraram em um experimento, pela primeira vez, que uma montagem de peças de computação quântica pode ser melhor do que as piores peças usadas para fazer isso. Em artigo publicado na revista Natureza em 4 de outubro, 2021, a equipe compartilhou como deu esse passo marcante em direção à confiabilidade, computadores quânticos práticos.

Em seu experimento, os pesquisadores combinaram vários qubits - a versão quântica dos bits - para que funcionassem juntos como uma única unidade chamada qubit lógico. Eles criaram o qubit lógico com base em um código de correção de erro quântico para que, ao contrário dos qubits físicos individuais, os erros podem ser facilmente detectados e corrigidos, e fizeram com que fosse tolerante a falhas - capaz de conter erros para minimizar seus efeitos negativos.

"Qubits compostos de íons atômicos idênticos são nativamente muito limpos por si próprios, "diz Monroe, que também é Fellow do Joint Center for Quantum Information and Computer Science e College Park Professor do Departamento de Física da Universidade de Maryland. "Contudo, em algum ponto, quando muitos qubits e operações são necessários, erros devem ser reduzidos ainda mais, e é mais simples adicionar mais qubits e codificar informações de maneira diferente. A beleza dos códigos de correção de erros para íons atômicos é que eles podem ser muito eficientes e podem ser ativados com flexibilidade por meio de controles de software. "

Esta é a primeira vez que um qubit lógico se mostrou mais confiável do que a etapa mais sujeita a erros necessária para fazê-lo. A equipe conseguiu colocar o qubit lógico em seu estado inicial e medi-lo 99,4% do tempo, apesar de depender de seis operações quânticas que, individualmente, devem funcionar apenas 98,9% do tempo.

Isso pode não parecer uma grande diferença, mas é um passo crucial na busca para construir computadores quânticos muito maiores. Se as seis operações quânticas fossem trabalhadores da linha de montagem, cada um focado em uma tarefa, a linha de montagem produziria apenas o estado inicial correto 93,6% do tempo (98,9% multiplicado por ela mesma seis vezes) - quase dez vezes pior do que o erro medido no experimento. Essa melhoria ocorre porque no experimento as peças imperfeitas trabalham juntas para minimizar a chance de erros quânticos compondo e arruinando o resultado, semelhante a trabalhadores vigilantes pegando os erros uns dos outros.

Os resultados foram alcançados usando o sistema de armadilha de íons de Monroe em UMD, que usa até 32 átomos carregados individuais - íons - que são resfriados com lasers e suspensos sobre eletrodos em um chip. Eles então usam cada íon como um qubit, manipulando-o com lasers.

“Temos 32 feixes de laser, "diz Monroe." E os átomos são como patos enfileirados; cada um com seu próprio feixe de laser totalmente controlável. Eu penso nisso como se os átomos formassem uma corda linear e nós a tocamos como uma corda de violão. Estamos colhendo com lasers que ligamos e desligamos de forma programável. E esse é o computador; essa é a nossa unidade central de processamento. "

Ao criar com sucesso um qubit lógico tolerante a falhas com este sistema, os pesquisadores mostraram que cuidadoso, designs criativos têm o potencial de libertar a computação quântica da restrição dos erros inevitáveis ​​do estado da arte atual. Os qubits lógicos tolerantes a falhas são uma maneira de contornar os erros dos qubits modernos e podem ser a base de computadores quânticos que são confiáveis ​​e grandes o suficiente para usos práticos.

Corrigindo erros e tolerando falhas

O desenvolvimento de qubits tolerantes a falhas capazes de correção de erros é importante porque a lei de Murphy é implacável:não importa o quão bem você construa uma máquina, eventualmente algo dá errado. Em um computador, qualquer bit ou qubit tem alguma chance de falhar ocasionalmente em seu trabalho. E os muitos qubits envolvidos em um computador quântico prático significam que há muitas oportunidades para erros surgirem.

Felizmente, os engenheiros podem projetar um computador para que suas peças trabalhem juntas para detectar erros - como manter informações importantes em backup em um disco rígido extra ou fazer com que uma segunda pessoa leia seu e-mail importante para detectar erros de digitação antes de enviá-lo. Tanto as pessoas quanto as unidades têm que se atrapalhar para que um erro sobreviva. Embora demore mais trabalho para terminar a tarefa, a redundância ajuda a garantir a qualidade final.

Algumas tecnologias predominantes, como telefones celulares e modems de alta velocidade, atualmente usa correção de erros para ajudar a garantir a qualidade das transmissões e evitar outros inconvenientes. A correção de erros usando redundância simples pode diminuir a chance de um erro não detectado, desde que seu procedimento não esteja errado com mais freqüência do que está certo, por exemplo, enviar ou armazenar dados em triplicado e confiar no voto da maioria pode diminuir a chance de erro de um em cem para menos de um em mil.

Portanto, embora a perfeição nunca esteja ao nosso alcance, a correção de erros pode tornar o desempenho de um computador tão bom quanto o necessário, contanto que você possa pagar o preço de usar recursos extras. Os pesquisadores planejam usar a correção de erros quânticos para complementar seus esforços de fazer qubits melhores e permitir que construam computadores quânticos sem ter que vencer todos os erros que os dispositivos quânticos sofrem.

"O que é incrível sobre tolerância a falhas, é uma receita de como pegar pequenas peças não confiáveis ​​e transformá-las em um dispositivo muito confiável, "diz Kenneth Brown, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke e co-autor do artigo. "E a correção de erros quânticos tolerante a falhas nos permitirá fazer computadores quânticos muito confiáveis ​​a partir de peças quânticas defeituosas."

Mas a correção de erros quânticos tem desafios únicos - os qubits são mais complexos do que os bits tradicionais e podem dar errado de várias maneiras. Você não pode simplesmente copiar um qubit, ou simplesmente verificar seu valor no meio de um cálculo. Toda a razão pela qual os qubits são vantajosos é que eles podem existir em uma superposição quântica de vários estados e podem se tornar mecanicamente emaranhados uns com os outros. Para copiar um qubit, você precisa saber exatamente quais informações ele está armazenando - em termos físicos, você precisa medi-las. E uma medição o coloca em um único estado quântico bem definido, destruindo qualquer superposição ou emaranhamento sobre o qual o cálculo quântico se baseia.

Então, para correção de erros quânticos, você deve corrigir erros em bits que você não tem permissão para copiar ou mesmo olhar muito de perto. É como revisar os olhos vendados. Em meados da década de 1990, pesquisadores começaram a propor maneiras de fazer isso usando as sutilezas da mecânica quântica, mas os computadores quânticos estão apenas chegando ao ponto em que podem testar as teorias.

A ideia principal é fazer um qubit lógico de qubits físicos redundantes de uma forma que possa verificar se os qubits concordam em certos fatos da mecânica quântica sem nunca saber o estado de nenhum deles individualmente.

Não pode melhorar no átomo

Existem muitos códigos de correção de erros quânticos propostos para escolher, e alguns são ajustes mais naturais para uma abordagem específica para a criação de um computador quântico. Cada maneira de fazer um computador quântico tem seus próprios tipos de erros, bem como pontos fortes exclusivos. Portanto, construir um computador quântico prático requer entender e trabalhar com os erros e vantagens específicos que sua abordagem traz para a mesa.

O computador quântico baseado em armadilha de íons com o qual Monroe e seus colegas trabalham tem a vantagem de que seus qubits individuais são idênticos e muito estáveis. Uma vez que os qubits são íons carregados eletricamente, cada qubit pode se comunicar com todos os outros na linha por meio de toques elétricos, dando liberdade em comparação com sistemas que precisam de uma conexão sólida com vizinhos imediatos.

"Eles são átomos de um determinado elemento e isótopo, portanto, são perfeitamente replicáveis, "diz Monroe." E quando você armazena coerência nos qubits e os deixa em paz, ele existe essencialmente para sempre. Portanto, o qubit quando deixado sozinho é perfeito. Para fazer uso desse qubit, temos que cutucá-lo com lasers, temos que fazer coisas para isso, temos que segurar o átomo com eletrodos em uma câmara de vácuo, todas essas coisas técnicas têm ruído, e eles podem afetar o qubit. "

Para o sistema de Monroe, a maior fonte de erros são as operações de emaranhamento - a criação de links quânticos entre dois qubits com pulsos de laser. As operações de emaranhamento são partes necessárias da operação de um computador quântico e da combinação de qubits em qubits lógicos. Assim, embora a equipe não possa esperar que seus qubits lógicos armazenem informações de forma mais estável do que os qubits de íons individuais, corrigir os erros que ocorrem ao emaranhar qubits é uma melhoria vital.

Os pesquisadores selecionaram o código Bacon-Shor como uma boa combinação para as vantagens e fraquezas de seu sistema. Para este projeto, eles só precisavam de 15 dos 32 íons que seu sistema pode suportar, e dois dos íons não foram usados ​​como qubits, mas foram necessários apenas para obter um espaçamento uniforme entre os outros íons. Para o código, eles usaram nove qubits para codificar redundantemente um único qubit lógico e quatro qubits adicionais para selecionar locais onde ocorreram erros potenciais. Com essa informação, os qubits defeituosos detectados podem, em teoria, ser corrigido sem que o "quantum-ness" dos qubits seja comprometido pela medição do estado de qualquer qubit individual.

"A parte principal da correção de erros quânticos é a redundância, razão pela qual precisamos de nove qubits para obter um qubit lógico, "diz o estudante de pós-graduação da JQI Laird Egan, quem é o primeiro autor do artigo. "Mas essa redundância nos ajuda a procurar erros e corrigi-los, porque um erro em um único qubit pode ser protegido pelos outros oito. "

A equipe usou com sucesso o código Bacon-Shor com o sistema de armadilha de íons. O qubit lógico resultante exigiu seis operações de emaranhamento - cada uma com uma taxa de erro esperada entre 0,7% e 1,5%. Mas, graças ao design cuidadoso do código, esses erros não se combinam em uma taxa de erro ainda maior quando as operações de emaranhamento foram usadas para preparar o qubit lógico em seu estado inicial.

A equipe observou apenas um erro na preparação e medição do qubit 0,6% do tempo - menos do que o erro mais baixo esperado para qualquer uma das operações de emaranhamento individuais. A equipe foi então capaz de mover o qubit lógico para um segundo estado com um erro de apenas 0,3%. A equipe também introduziu erros intencionalmente e demonstrou que podia detectá-los.

"Esta é realmente uma demonstração de correção de erro quântico melhorando o desempenho dos componentes subjacentes pela primeira vez, "diz Egan." E não há razão para que outras plataformas não possam fazer a mesma coisa enquanto aumentam de tamanho. É realmente uma prova de conceito de que a correção de erros quânticos funciona. "

Conforme a equipe continua esta linha de trabalho, eles dizem que esperam alcançar sucesso semelhante na construção de portas lógicas quânticas ainda mais desafiadoras de seus qubits, realizando ciclos completos de correção de erros onde os erros detectados são corrigidos ativamente, e enredar vários qubits lógicos juntos.

"Até este artigo, todos estão focados em fazer um qubit lógico, "diz Egan." E agora que fizemos um, eram como, 'Qubits lógicos únicos funcionam, então o que você pode fazer com dois? '"

Além de Monroe, Brown e Egan, os outros co-autores do artigo são os seguintes:JQI pesquisador Marko Cetina; Alunos de pós-graduação da JQI Andrew Risinger, Daiwei Zhu e Debopriyo Biswas; Dripto M. Debroy, estudante de graduação em física da Duke University; Os pesquisadores de pós-doutorado da Duke University Crystal Noel e Michael Newman; e Muyuan Li, estudante de graduação do Instituto de Tecnologia da Geórgia.