Pesquisadores da Duke University e da Universidade de Maryland usaram a frequência de medições em um computador quântico para obter um vislumbre dos fenômenos quânticos das mudanças de fase – algo análogo à água se transformando em vapor.
Ao medir o número de operações que podem ser implementadas em um sistema de computação quântica sem desencadear o colapso de seu estado quântico, os pesquisadores obtiveram informações sobre como outros sistemas – naturais e computacionais – atingem seus pontos de inflexão entre as fases. Os resultados também fornecem orientação para cientistas da computação que trabalham para implementar a correção de erros quânticos que eventualmente permitirá que os computadores quânticos atinjam todo o seu potencial.

Os resultados apareceram on-line em 3 de junho na revista Nature Physics .

Ao aquecer a água para ferver, o movimento das moléculas evolui à medida que a temperatura muda até atingir um ponto crítico quando começa a se transformar em vapor. De maneira semelhante, um sistema de computação quântica pode ser cada vez mais manipulado em etapas de tempo discretas até que seu estado quântico se transforme em uma única solução.

"Existem conexões profundas entre as fases da matéria e a teoria quântica, que é o que há de tão fascinante nisso", disse Crystal Noel, professora assistente de engenharia elétrica e de computação e física da Duke. “O sistema de computação quântica está se comportando da mesma maneira que os sistemas quânticos encontrados na natureza – como líquido se transformando em vapor – mesmo que seja digital”.

O poder dos computadores quânticos está na capacidade de seus qubits de serem uma combinação de 1 e 0 ao mesmo tempo, com um crescimento exponencial da complexidade do sistema à medida que mais qubits são adicionados. Isso permite que eles resolvam um problema com paralelismo massivo, como tentar encaixar as peças de um quebra-cabeça de uma só vez, em vez de uma de cada vez. Os qubits, no entanto, precisam ser capazes de manter sua indecisão quântica até que uma solução seja alcançada.

Um dos muitos desafios que isso apresenta está na correção de erros. Alguns dos qubits inevitavelmente perderão uma informação, e o sistema deve ser capaz de descobrir e corrigir esses erros. Mas como os sistemas quânticos perdem sua "quantidade" quando medidos, ficar de olho em erros é uma tarefa complicada. Mesmo com qubits extras de olho nas coisas, quanto mais um algoritmo quântico é investigado em busca de erros, maior a probabilidade de falhar.

“Como moléculas de água prestes a se tornarem vapor, há um limite de medições que um computador quântico pode suportar antes de perder sua informação quântica”, disse Noel. "E esse número de medições é uma analogia de quantos erros o computador pode suportar e ainda funcionar corretamente."

No novo artigo, Noel e seus colegas investigam esse limiar de transição e o estado do sistema em ambos os lados.

Trabalhando em estreita colaboração com Christopher Monroe, o Professor Distinto Presidencial de Engenharia e Física da Família Gilhuly na Duke, Marko Cetina, professor assistente de física na Duke, e Michael Gullans e Alexey Gorshkov da Universidade de Maryland e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, o software co-projetado do grupo para executar circuitos quânticos aleatórios adaptados às habilidades de seu sistema quântico. O experimento foi executado em um dos computadores quânticos de armadilha de íons do Duke Quantum Center – um dos sistemas de computação quântica mais poderosos do mundo.

“O número de qubits no sistema, a fidelidade de suas operações e o nível de automação do sistema combinados ao mesmo tempo são exclusivos desse sistema de computador quântico”, disse Noel. "Outros sistemas conseguiram realizar cada um individualmente, mas nunca todos os três ao mesmo tempo em um sistema acadêmico. Foi isso que nos permitiu executar esses experimentos."

Ao calcular a média de muitos circuitos aleatórios, a equipe conseguiu ver como a frequência de medição afetava os qubits. Como previsto, surgiu um ponto crítico no qual o sistema inevitavelmente perdeu sua coerência e informação quântica e, ao observar como o sistema se comportou em ambos os lados dessa transição de fase, os pesquisadores poderão construir melhores abordagens para códigos de correção de erros no futuro.

Os dados também fornecem uma visão única de como outras mudanças de fase ocorrem na natureza que os pesquisadores nunca puderam ver antes.

"Esta demonstração é um exemplo perfeito do que fazemos exclusivamente no Duke Quantum Center", disse Monroe. "Enquanto nossos computadores quânticos são feitos de átomos que estão sob controle requintado com armadilhas eletromagnéticas, lasers e ótica, podemos implantar esses sistemas para fazer algo completamente diferente, neste caso sondando a natureza quântica subjacente das transições de fase. Este mesmo computador quântico pode também pode ser aplicado para resolver modelos vexatórios em campos que vão desde reações químicas, sequenciamento de DNA e astrofísica. + Explorar mais

A computação quântica sem erros se torna real