Por que o apagamento pode ser a chave para a computação quântica prática

Visão geral de um computador quântico de átomo neutro tolerante a falhas usando conversão de apagamento. um Esquema de um computador quântico de átomos neutros, com um plano de átomos sob uma objetiva de microscópio usada para fluorescência de imagens e projetar campos de captura e controle. b Os qubits físicos são individuais ¹⁷¹ átomos Yb. Os estados de qubit são codificados nos 6s metaestáveis 6p ³ P₀ F = 1/2 nível (subespaço Q), e portas de dois qubits são executadas através do estado Rydberg |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle, que é acessado através de uma transição de fóton único (λ = 302 nm) com frequência Rabi Ω. Os erros dominantes durante as portas são decaimentos de |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle com uma taxa total Γ = Γ_B + Γ_R + Γ_Q . Apenas uma pequena fração Γ_Q /Γ ≈ 0,05 retornam ao subespaço qubit, enquanto os decaimentos restantes são transições de corpo negro (BBR) para estados Rydberg próximos (Γ_B /Γ ≈ 0,61) ou decaimento radiativo para o estado fundamental 6s ² ¹ S ₀ (Γ_R /Γ ≈ 0,34). No final de um portão, esses eventos podem ser detectados e convertidos em erros de apagamento detectando fluorescência de átomos no estado fundamental (subespaço R) ou ionizando qualquer população Rydberg restante por meio de autoionização e coletando fluorescência no Yb⁺ transição (subespaço B). c Um patch do código de superfície XZZX estudado neste trabalho, mostrando qubits de dados (círculos abertos), qubits ancilla (círculos preenchidos) e operações do estabilizador, realizadas na ordem indicada pelas setas. d Circuito quântico representando uma medição de um estabilizador em qubits de dados D ₁ − D ₄ usando ancilla A ₁ com etapas de conversão de apagamento intercaladas. A detecção de apagamento é aplicada após cada porta e os átomos apagados são substituídos de um reservatório conforme necessário usando uma pinça óptica móvel. É estritamente necessário apenas substituir o átomo que foi detectado como tendo deixado o subespaço, mas a substituição de ambos protege contra a possibilidade de vazamento não detectado no segundo átomo. Crédito:Comunicação da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32094-6

Pesquisadores descobriram um novo método para corrigir erros nos cálculos de computadores quânticos, potencialmente eliminando um grande obstáculo para um novo e poderoso domínio da computação.
Em computadores convencionais, corrigir erros é um campo bem desenvolvido. Todo celular requer verificações e correções para enviar e receber dados por ondas de rádio confusas. Os computadores quânticos oferecem um enorme potencial para resolver certos problemas complexos que são impossíveis para computadores convencionais, mas esse poder depende do aproveitamento de comportamentos extremamente fugazes de partículas subatômicas. Esses comportamentos de computação são tão efêmeros que até mesmo examiná-los para verificar se há erros pode causar o colapso de todo o sistema.

Em um artigo que descreve uma nova teoria para correção de erros, publicado em 9 de agosto na Nature Communications , uma equipe interdisciplinar liderada por Jeff Thompson, professor associado de engenharia elétrica e de computação em Princeton, e colaboradores Yue Wu e Shruti Puri na Universidade de Yale e Shimon Kolkowitz na Universidade de Wisconsin-Madison, mostraram que eles poderiam melhorar drasticamente a capacidade de um computador quântico tolerância a falhas e reduzir a quantidade de informações redundantes necessárias para isolar e corrigir erros. A nova técnica aumenta a taxa de erro aceitável em quatro vezes, de 1% para 4%, o que é prático para computadores quânticos atualmente em desenvolvimento.

“O desafio fundamental para os computadores quânticos é que as operações que você deseja fazer são barulhentas”, disse Thompson, o que significa que os cálculos são propensos a inúmeros modos de falha.

Em um computador convencional, um erro pode ser tão simples quanto um pedaço de memória acidentalmente mudando de 1 para 0, ou tão confuso quanto um roteador sem fio interferindo em outro. Uma abordagem comum para lidar com essas falhas é criar alguma redundância, de modo que cada parte dos dados seja comparada com cópias duplicadas. No entanto, essa abordagem aumenta a quantidade de dados necessários e cria mais possibilidades de erros. Portanto, só funciona quando a grande maioria das informações já está correta. Caso contrário, verificar dados errados com dados errados leva a um poço de erros mais profundo.

"Se sua taxa de erro de linha de base for muito alta, a redundância é uma estratégia ruim", disse Thompson. "Ficar abaixo desse limite é o principal desafio."

Em vez de se concentrar apenas na redução do número de erros, a equipe de Thompson essencialmente tornou os erros mais visíveis. A equipe investigou profundamente as causas físicas reais do erro e projetou seu sistema para que a fonte mais comum de erro eliminasse efetivamente, em vez de simplesmente corromper, os dados danificados. Thompson disse que esse comportamento representa um tipo específico de erro conhecido como "erro de apagamento", que é fundamentalmente mais fácil de eliminar do que dados corrompidos, mas ainda se parecem com todos os outros dados.

Em um computador convencional, se um pacote de informações supostamente redundantes aparecer como 11001, pode ser arriscado supor que os 1s um pouco mais prevalentes estão corretos e os 0s estão errados. Mas se a informação aparecer como 11XX1, onde os bits corrompidos são evidentes, o caso é mais convincente.

"Esses erros de apagamento são muito mais fáceis de corrigir porque você sabe onde eles estão", disse Thompson. "Eles podem ser excluídos da votação majoritária. Isso é uma grande vantagem."

Erros de apagamento são bem compreendidos na computação convencional, mas os pesquisadores não haviam considerado anteriormente tentar projetar computadores quânticos para converter erros em apagamentos, disse Thompson.

Na prática, o sistema proposto poderia suportar uma taxa de erro de 4,1%, o que Thompson disse estar dentro do campo de possibilidade para os atuais computadores quânticos. Nos sistemas anteriores, a correção de erros de última geração poderia lidar com menos de 1% de erro, o que Thompson disse estar no limite da capacidade de qualquer sistema quântico atual com um grande número de qubits.

A capacidade da equipe de gerar erros de apagamento acabou sendo um benefício inesperado de uma escolha que Thompson fez anos atrás. Sua pesquisa explora "qubits de átomos neutros", nos quais a informação quântica (um "qubit") é armazenada em um único átomo. Eles foram pioneiros no uso do elemento itérbio para essa finalidade. Thompson disse que o grupo escolheu o itérbio em parte porque tem dois elétrons em sua camada mais externa de elétrons, em comparação com a maioria dos outros qubits de átomos neutros, que têm apenas um.

“Penso nele como um canivete suíço, e este itérbio é o maior e mais gordo canivete suíço”, disse Thompson. "Aquele pouco extra de complexidade que você obtém por ter dois elétrons lhe dá muitas ferramentas únicas."

Um uso dessas ferramentas extras acabou sendo útil para eliminar erros. A equipe propôs bombear os elétrons em itérbio e de seu "estado fundamental" estável para estados excitados chamados "estados metaestáveis", que podem ter vida longa sob as condições certas, mas são inerentemente frágeis. Contraintuitivamente, os pesquisadores propõem usar esses estados para codificar a informação quântica.

"É como se os elétrons estivessem em uma corda bamba", disse Thompson. E o sistema é projetado para que os mesmos fatores que causam erros também façam com que os elétrons caiam da corda bamba.

Como um bônus, uma vez que eles caem no estado fundamental, os elétrons espalham a luz de uma maneira muito visível, então iluminar uma coleção de qubits de itérbio faz com que apenas os defeituosos acendam. Aqueles que acendem devem ser descartados como erros.

Esse avanço exigiu a combinação de insights em hardware de computação quântica e na teoria da correção de erros quânticos, aproveitando a natureza interdisciplinar da equipe de pesquisa e sua estreita colaboração. Embora a mecânica dessa configuração seja específica para os átomos de itérbio de Thompson, ele disse que a ideia de engenharia de qubits quânticos para gerar erros de apagamento pode ser um objetivo útil em outros sistemas – dos quais existem muitos em desenvolvimento em todo o mundo – e é algo que o grupo continua a trabalhar.

"Vemos este projeto como um tipo de arquitetura que pode ser aplicada de muitas maneiras diferentes", disse Thompson, acrescentando que outros grupos já começaram a projetar seus sistemas para converter erros em rasuras. "Já estamos vendo muita coisa interessante em encontrar adaptações para este trabalho."

Como próximo passo, o grupo de Thompson está agora trabalhando na demonstração da conversão de erros em rasuras em um pequeno computador quântico funcional que combina várias dezenas de qubits.

O artigo, "Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in Alcalin Earth Rydberg atom arrays", foi publicado em 9 de agosto na Nature Communications . + Explorar mais