Corrida para resolver a computação quântica

Os computadores quânticos não serão verdadeiramente úteis até que possam corrigir seus erros. As máquinas quânticas já existem, mas cometem erros em excesso. Este é, possivelmente, o maior obstáculo para que a tecnologia se torne realmente útil, mas avanços recentes sugerem que uma solução pode estar a caminho.

Erros também aparecem nos computadores tradicionais, mas há técnicas bem estabelecidas para corrigi-los. Elas se baseiam na redundância, onde bits extras são usados para detectar quando os 0s trocam incorretamente para 1s ou vice-versa. No mundo quântico, no entanto, o desafio é muito maior.

As leis da mecânica quântica impedem que a informação seja duplicada dentro de um computador quântico. Portanto, a redundância deve ser alcançada espalhando informações por grupos de qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – e utilizando fenômenos que só existem em ambientes quânticos, como quando pares de partículas se tornam ligadas pelo emaranhamento quântico. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos, e descobrir a melhor maneira de construí-los e usá-los é determinante para eliminar os erros.

Uma onda recente de progresso deixou os pesquisadores otimistas. Robert Schoelkopf, da Universidade de Yale, diz: “É um momento muito emocionante na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão realmente entrando em contato”.

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 acontece. 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 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 qubits.

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 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 “chutes” extras de radiação eletromagnética a qubits ociosos pode criar o emaranhamento mais confiável até hoje entre qubits lógicos.

A receita exata de como combinar qubits físicos em lógicos é muito importante para alguns dos cálculos mais precisos, como descobriu David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas 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 os métodos básicos de correção de erro não são suficientes.

Essa inovação em programas de correção de erro será importante 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 peças da correção de erro se encaixam”. Computadores quânticos ainda não podem operar efetivamente sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecerem, afirma ele.