Arquitetura de um computador quântico tolerante a falhas baseado em qLDPC usando matrizes de átomos reconfiguráveis. O computador consiste em um bloco de memória qLDPC, um processador com qubits lógicos computacionais e mediadores auxiliares entre a memória e o processador. O painel inferior mostra um gráfico de contorno do número de qubits físicos (incluindo dados e qubits auxiliares) exigidos por nossa arquitetura, com uma taxa de erro físico de 10-3, dado um número alvo de qubits lógicos e um LFR alvo, em comparação com a superfície código. A sobrecarga de espaço qLDPC é dada pelo mínimo para os códigos LP mostrados na Fig. 3b com menos de 1.428 qubits de dados e para os códigos HGP usando uma extrapolação dos resultados numéricos na Fig. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02479-z Os frágeis qubits que compõem os computadores quânticos oferecem uma poderosa ferramenta computacional, mas também apresentam um enigma:como podem os engenheiros criar sistemas quânticos práticos e viáveis a partir de bits que são tão facilmente perturbados – e apagados de dados – por pequenas mudanças no seu ambiente?
Os engenheiros há muito lutam para tornar os computadores quânticos menos propensos a erros, muitas vezes desenvolvendo maneiras de detectar e corrigir erros, em vez de evitá-los. No entanto, muitos desses esquemas de correção de erros envolvem a duplicação de informações em centenas ou milhares de qubits físicos de uma só vez, o que rapidamente se torna difícil de escalar de forma eficiente.
Agora, uma equipe de cientistas liderada por pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago desenvolveu o projeto para um computador quântico que pode corrigir erros com mais eficiência. O sistema usa uma nova estrutura, baseada em códigos quânticos de verificação de paridade de baixa densidade (qLDPC) – que podem detectar erros observando a relação entre bits – bem como um novo hardware envolvendo matrizes de átomos reconfiguráveis, que permitem que qubits se comuniquem com mais vizinhos e, portanto, permite que os dados qLDPC sejam codificados em menos qubits.
“Com este projeto proposto, reduzimos a sobrecarga necessária para a correção de erros quânticos, o que abre novos caminhos para a expansão de computadores quânticos”, disse Liang Jiang, professor de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho, publicado em Física da Natureza .
Ruído intrínseco
Embora os computadores padrão dependam de bits digitais – ligados ou desligados – para codificar dados, os qubits podem existir em estados de superposição, dando-lhes a capacidade de resolver novos problemas computacionais. No entanto, as propriedades únicas dos qubits também os tornam incrivelmente sensíveis ao seu ambiente; eles mudam de estado com base na temperatura ambiente e no eletromagnetismo.
"Os sistemas quânticos são intrinsecamente barulhentos. Não há realmente nenhuma maneira de construir uma máquina quântica que não apresente erros", disse Qian Xu, estudante de pós-graduação da PME que liderou o novo trabalho. “Você precisa ter uma maneira de fazer a correção ativa de erros se quiser ampliar seu sistema quântico e torná-lo útil para tarefas práticas.”
Nas últimas décadas, os cientistas recorreram principalmente a um tipo de correção de erros, chamados códigos de superfície, para sistemas quânticos. Nesses sistemas, você codifica simultaneamente as mesmas informações lógicas em muitos bits físicos, organizados em uma grande grade bidimensional. Erros podem ser deduzidos comparando qubits com seus vizinhos diretos. Uma incompatibilidade sugere que um qubit falhou.
“O problema com isso é que você precisa de uma enorme sobrecarga de recursos”, disse Xu. “Em alguns desses sistemas, são necessários mil qubits físicos para cada qubit lógico, portanto, no longo prazo, não achamos que possamos escalar isso para computadores muito grandes”.
Diminuindo a redundância
Em seu novo sistema, Jiang, Xu e colegas da Universidade de Harvard, Caltech, Universidade do Arizona e QuEra Computing pretendiam usar códigos qLDPC para corrigir erros. Este tipo de correção de erros foi considerado há muito tempo, mas não foi implementado num plano realista.
Com os códigos qLDPC, os dados em qubits não são apenas comparados com vizinhos diretos, mas também com qubits mais distantes. Ele permite que uma grade menor de qubits seja usada para obter o mesmo número de comparações para correção de erros. No entanto, esse tipo de comunicação de longa distância entre qubits sempre foi o obstáculo na implementação do qLDPC.
Os pesquisadores encontraram uma solução na forma de um novo hardware:átomos reconfiguráveis que podem ser movidos com lasers para permitir que os qubits se comuniquem com novos parceiros.
“Com os atuais sistemas de matriz de átomos reconfiguráveis, podemos controlar e manipular mais de mil qubits físicos com alta fidelidade e conectar qubits separados por uma grande distância”, disse Harry Zhou, da Universidade de Harvard e QuEra Computing. "Ao combinar a estrutura dos códigos quânticos e essas capacidades de hardware, podemos implementar esses códigos qLDPC mais avançados com apenas algumas linhas de controle, colocando a realização deles ao alcance dos sistemas experimentais atuais."
Quando combinaram códigos qLDPC com matrizes reconfiguráveis de átomos neutros, a equipe conseguiu obter uma taxa de erro melhor do que usar códigos de superfície com apenas algumas centenas de qubits físicos. Ao aumentar a escala, algoritmos quânticos envolvendo milhares de qubits lógicos poderiam ser realizados com menos de 100.000 qubits físicos – muito mais eficientes do que os códigos de superfície padrão-ouro.
“Ainda há redundância em termos de codificação de dados em vários qubits físicos, mas a ideia é que reduzimos muito essa redundância”, disse Xu.
A estrutura ainda é teórica, embora os cientistas estejam desenvolvendo rapidamente plataformas de arranjos atômicos que avançam em direção ao uso prático da computação quântica com correção de erros. A equipe do PME está agora trabalhando para ajustar ainda mais seu projeto e garantir que os qubits lógicos que dependem de códigos qLDPC e matrizes de átomos reconfiguráveis possam ser usados na computação.
“Acreditamos que no longo prazo isso nos permitirá construir computadores quânticos muito grandes com taxas de erro mais baixas”, disse Xu.
