Computadores quânticos não serão realmente úteis até que possam corrigir seus erros. Os computadores quânticos já são uma realidade, mas cometem erros demais. Este é possivelmente o maior obstáculo para que a tecnologia se torne de fato útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar próxima.
Erros também surgem em computadores tradicionais, mas há técnicas consolidadas para corrigi-los. Elas se baseiam em redundância, onde bits extras são usados para detectar quando 0s viram 1s por engano, ou vice-versa. No mundo quântico, porém, o desafio é muito maior.
As leis da mecânica quântica proíbem a duplicação de informação dentro de um computador quântico, então a redundância deve ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits – as unidades básicas dos computadores quânticos – e utilizando fenômenos que só existem no cenário quântico, como quando pares de partículas ficam ligadas via emaranhamento quântico. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos e descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é importante para determinar como eliminar os erros.
Um recente aumento no progresso tem deixado os pesquisadores otimistas. “É um momento muito animador na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão realmente entrando em contato”, diz Robert Schoelkopf da Universidade de Yale.
Um dos entraves para a correção de erros quânticos tem sido o fato de que o número de qubits necessários para fazer um qubit lógico tende a ser grande, o que torna todo o computador quântico caro e difícil de construir. Mas Xiayu Linpeng da Academia Internacional de Quântica na China e sua equipe demonstraram recentemente que isso não precisa ser assim.
Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que, ao mesmo tempo, comete menos erros e pode sinalizar automaticamente um erro quando ele ocorre. Eles então foram um passo além para mostrar como três desses qubits podem ser agrupados via emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros sorrateiros.
A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computador quântico poderiam ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas, com alguns erros ocorrendo tão raramente quanto uma vez em um milhão de manipulações de qubit.
Embora abordagens como essa capturem muitos erros, computadores quânticos úteis terão que conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns ainda vão aparecer. Por isso, Arian Vezvaee da startup Quantum Elements e seus colegas testaram uma maneira de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar uma capa de chuva embaixo de um guarda-chuva.
A ideia principal é não deixar nenhum qubit ocioso por muito tempo, pois isso faz com que ele perca suas propriedades quânticas especiais e fique corrompido. A equipe mostrou que dar a qubits ociosos “chutes” extras de radiação eletromagnética pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos até hoje.
A receita exata de como combinar qubits físicos em lógicos realmente importa para alguns dos cálculos mais precisos, como David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas descobriram ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. Lá, a precisão necessária é tão alta que métodos básicos de correção de erro não são suficientes.
Essa inovação em programas de correção de erro será decisiva para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, diz James Wootton da startup Moth Quantum. “Ainda estamos em uma fase onde os pesquisadores estão aprendendo como todas as peças da correção de erro se encaixam.” Computadores quânticos ainda não podem operar de forma eficaz sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecerem, diz ele.
A busca por métodos eficientes de correção de erros é um dos focos principais da pesquisa atual na área. Diferentes grupos ao redor do mundo testam arquiteturas variadas de qubits, como íons presos ou fótons, cada uma com seus próprios desafios e vantagens. A competição entre essas abordagens acelera a descoberta de soluções práticas.
Além do hardware, o desenvolvimento de novos algoritmos de correção é uma frente ativa de trabalho. Estes algoritmos precisam ser eficientes para não consumir toda a capacidade de processamento do próprio computador quântico que estão tentando proteger. O equilíbrio entre poder corretivo e sobrecarga computacional é uma linha de pesquisa constante.
