Nos computadores modernos, erros durante o processamento e armazenamento de informações tornaram-se uma raridade devido à fabricação de alta qualidade. No entanto, para aplicações críticas, onde mesmo erros isolados podem ter efeitos graves, ainda são utilizados mecanismos de correção de erros baseados na redundância dos dados processados.
Os computadores quânticos são inerentemente muito mais suscetíveis a distúrbios e, portanto, provavelmente sempre exigirão mecanismos de correção de erros, porque, caso contrário, os erros se propagarão descontroladamente no sistema e as informações serão perdidas. Como as leis fundamentais da mecânica quântica proíbem a cópia de informações quânticas, a redundância pode ser alcançada distribuindo informações quânticas lógicas em um estado emaranhado de vários sistemas físicos, por exemplo, vários átomos individuais.

A equipe liderada por Thomas Monz do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck e Markus Müller da RWTH Aachen University e Forschungszentrum Jülich na Alemanha conseguiu agora pela primeira vez realizar um conjunto de operações computacionais em dois bits quânticos lógicos que podem ser usado para implementar qualquer operação possível. “Para um computador quântico do mundo real, precisamos de um conjunto universal de portas com as quais podemos programar todos os algoritmos”, explica Lukas Postler, físico experimental de Innsbruck.

Operação quântica fundamental realizada

A equipe de pesquisadores implementou esse portão universal em um computador quântico de armadilha de íons com 16 átomos presos. A informação quântica foi armazenada em dois bits quânticos lógicos, cada um distribuído em sete átomos.

Agora, pela primeira vez, foi possível implementar duas portas computacionais nesses bits quânticos tolerantes a falhas, que são necessárias para um conjunto universal de portas:uma operação computacional em dois bits quânticos (uma porta CNOT) e uma porta lógica T gate, que é particularmente difícil de implementar em bits quânticos tolerantes a falhas.

"As portas T são operações muito fundamentais", explica o físico teórico Markus Müller. "Eles são particularmente interessantes porque algoritmos quânticos sem portas T podem ser simulados com relativa facilidade em computadores clássicos, negando qualquer possível aceleração. Isso não é mais possível para algoritmos com portas T." Os físicos demonstraram o T-gate preparando um estado especial em um bit quântico lógico e teletransportando-o para outro bit quântico por meio de uma operação de portão emaranhado.

A complexidade aumenta, mas a precisão também

Em bits quânticos lógicos codificados, as informações quânticas armazenadas são protegidas contra erros. Mas isso é inútil sem operações computacionais e essas operações são propensas a erros.

The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.

"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.

The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.

A pesquisa foi publicada na Nature . + Explorar mais

Error-protected quantum bits entangled for the first time