Race to Solve Quantum Computing’s Biggest Problem

Computadores quânticos não serão realmente úteis até que possam corrigir seus próprios erros.

As máquinas quânticas já são uma realidade, mas elas cometem muitos erros. Este é possivelmente o maior obstáculo para que a tecnologia se torne de fato útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar a caminho.

Erros também aparecem em computadores tradicionais, mas há técnicas bem estabelecidas para corrigi-los. Elas se baseiam em redundância, usando bits extras para detectar quando 0s trocam para 1s 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. Por isso, 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 ambiente quântico, como quando partículas ficam ligadas pelo emaranhamento quântico. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos, e descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é muito importante para determinar como eliminar erros.

Um aumento recente no progresso tem deixado 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 obstáculos para a correção de erros quânticos tem sido 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 comete menos erros e pode sinalizar automaticamente um erro quando ele ocorre. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados por meio do emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros sorrateiros.

A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computadores quânticos 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.

Apesar de abordagens como esta detectarem 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 forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar uma capa de chuva debaixo 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 se corrompa. A equipe mostrou que dar à qubits ociosos “chutes” extras de radiação eletromagnética pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos até agora.

A receita exata de como combinar qubits físicos em lógicos importa muito 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 erros não são suficientes.

Essa inovação em programas de correção de erros será determinante para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, diz James Wootton da startup Moth Quantum. Ainda estamos em uma fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as partes da correção de erros se encaixam. Computadores quânticos ainda não podem operar efetivamente sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecendo, afirma ele.

O progresso na computação quântica também depende de outros fatores, como a estabilidade dos sistemas e a escalabilidade da tecnologia. Muitas empresas e centros de pesquisa estão competindo para desenvolver hardware mais confiável e algoritmos eficientes. A cooperação internacional em padrões e práticas é outro elemento que pode acelerar a evolução do setor. Investimentos públicos e privados continuam a crescer, impulsionando a exploração de aplicações práticas, desde a criptografia até a descoberta de novos materiais e fármacos.