Um chip contendo uma armadilha de íons que os pesquisadores usam para capturar e controlar qubits de íons atômicos (bits quânticos). Crédito: Kai Hudek/JQI
Experimentos de computador quântico na UMD mostram que combinar peças de computador quântico não precisa significar combinar suas taxas de erro.
O nerfeito de Pobody — nem mesmo os bits indiferentes e calculistas que são a base dos computadores. Mas o grupo do JQI Fellow Christopher Monroe, juntamente com colegas da Duke University, fizeram progressos para garantir que possamos confiar nos resultados dos computadores quânticos, mesmo quando eles são construídos a partir de peças que às vezes falham. Eles mostraram em um experimento, pela primeira vez, que um conjunto de Computação quântica peças podem ser melhores do que as piores peças usadas para fazê-lo. Em artigo publicado na revista Natureza hoje (4 de outubro de 2021), a equipe compartilhou como eles deram esse passo histórico em direção a computadores quânticos confiáveis e práticos.
Em seu experimento, os pesquisadores combinaram vários qubits – a versão quântica dos bits – para que funcionassem juntos como uma única unidade chamada qubit lógico. Eles criaram o qubit lógico com base em um código de correção de erro quântico para que, ao contrário dos qubits físicos individuais, os erros possam ser facilmente detectados e corrigidos, e o tornaram tolerante a falhas - capaz de conter erros para minimizar seus efeitos negativos.
“Qubits compostos de íons atômicos idênticos são nativamente muito limpos por si mesmos”, diz Monroe, que também é membro do Joint Center for Quantum Information and Computer Science e professor do College Park no Departamento de Física da Universidade de Maryland. “No entanto, em algum momento, quando muitos qubits e operações são necessários, os erros devem ser reduzidos ainda mais e é mais simples adicionar mais qubits e codificar informações de maneira diferente. A beleza dos códigos de correção de erros para íons atômicos é que eles podem ser muito eficientes e podem ser ativados de forma flexível por meio de controles de software.”
A caixa que contém o computador quântico de armadilha de íons no laboratório de Christopher Monroe. Crédito:
Marko Cetina/JQI
Esta é a primeira vez que um qubit lógico mostrou ser mais confiável do que a etapa mais propensa a erros necessária para fazê-lo. A equipe conseguiu colocar com sucesso o qubit lógico em seu estado inicial e medi-lo 99.4% do tempo, apesar de contar com seis operações quânticas que devem funcionar individualmente apenas cerca de 98.9% do tempo.
Isso pode não parecer uma grande diferença, mas é um passo crucial na busca de construir computadores quânticos muito maiores. Se as seis operações quânticas fossem trabalhadores da linha de montagem, cada uma focada em uma tarefa, a linha de montagem produziria apenas o estado inicial correto 93.6% do tempo (98.9% multiplicado por si mesmo seis vezes) - aproximadamente dez vezes pior do que o erro medido em o experimento. Essa melhoria ocorre porque no experimento as peças imperfeitas trabalham juntas para minimizar a chance de erros quânticos agravarem e arruinarem o resultado, semelhante a trabalhadores atentos pegando os erros uns dos outros.
Os resultados foram alcançados usando o sistema de armadilha de íons de Monroe na UMD, que usa até 32 átomos individuais carregados – íons – que são resfriados com lasers e suspensos sobre eletrodos em um chip. Eles então usam cada íon como um qubit, manipulando-o com lasers.
“Temos 32 feixes de laser”, diz Monroe. “E os átomos são como patos enfileirados; cada um com seu próprio feixe de laser totalmente controlável. Eu penso nisso como se os átomos formassem uma corda linear e nós a tocamos como uma corda de violão. Estamos arrancando-o com lasers que ligamos e desligamos de forma programável. E esse é o computador; essa é a nossa unidade central de processamento.”
Ao criar com sucesso um qubit lógico tolerante a falhas com este sistema, os pesquisadores mostraram que designs cuidadosos e criativos têm o potencial de libertar a computação quântica da restrição dos erros inevitáveis do estado atual da arte. Os qubits lógicos tolerantes a falhas são uma maneira de contornar os erros nos qubits modernos e podem ser a base de computadores quânticos confiáveis e grandes o suficiente para usos práticos.
Corrigindo Erros e Tolerando Falhas
Desenvolver qubits tolerantes a falhas capazes de correção de erros é importante porque a lei de Murphy é implacável: não importa quão bem você construa uma máquina, algo eventualmente dá errado. Em um computador, qualquer bit ou qubit tem alguma chance de ocasionalmente falhar em seu trabalho. E os muitos qubits envolvidos em um computador quântico prático significam que há muitas oportunidades para erros.
Felizmente, os engenheiros podem projetar um computador para que suas peças funcionem juntas para detectar erros, como manter informações importantes em backup em um disco rígido extra ou fazer com que uma segunda pessoa leia seu e-mail importante para detectar erros de digitação antes de enviá-lo. Tanto as pessoas quanto as unidades precisam errar para que um erro sobreviva. Embora seja necessário mais trabalho para concluir a tarefa, a redundância ajuda a garantir a qualidade final.
Algumas tecnologias predominantes, como telefones celulares e modems de alta velocidade, usam atualmente a correção de erros para ajudar a garantir a qualidade das transmissões e evitar outros inconvenientes. A correção de erros usando redundância simples pode diminuir a chance de um erro não detectado, desde que seu procedimento não esteja errado com mais frequência do que certo - por exemplo, enviar ou armazenar dados em triplicado e confiar no voto da maioria pode diminuir a chance de um erro de um em cem a menos de um em mil.
Portanto, embora a perfeição possa nunca estar ao alcance, a correção de erros pode tornar o desempenho de um computador tão bom quanto necessário, desde que você possa arcar com o preço do uso de recursos extras. Os pesquisadores planejam usar a correção de erros quânticos para complementar seus esforços para criar qubits melhores e permitir que eles construam computadores quânticos sem ter que superar todos os erros que os dispositivos quânticos sofrem.
“O que é incrível sobre a tolerância a falhas é que é uma receita de como pegar pequenas peças não confiáveis e transformá-las em um dispositivo muito confiável”, diz Kenneth Brown, professor de engenharia elétrica e de computação da Duke e coautor do artigo. “E a correção de erros quânticos tolerantes a falhas nos permitirá fazer computadores quânticos muito confiáveis a partir de peças quânticas defeituosas.”
Mas a correção de erros quânticos tem desafios únicos – os qubits são mais complexos que os bits tradicionais e podem dar errado de várias maneiras. Você não pode simplesmente copiar um qubit ou simplesmente verificar seu valor no meio de um cálculo. Toda a razão pela qual os qubits são vantajosos é que eles podem existir em uma superposição quântica de vários estados e podem se tornar mecanicamente quânticos emaranhados uns com os outros. Para copiar um qubit, você precisa saber exatamente quais informações ele está armazenando - em termos físicos, você precisa medi-las. E uma medição o coloca em um único estado quântico bem definido, destruindo qualquer superposição ou emaranhamento sobre o qual o cálculo quântico é construído.
Portanto, para correção de erros quânticos, você deve corrigir erros em bits que não tem permissão para copiar ou até mesmo olhar muito de perto. É como revisar com os olhos vendados. Em meados da década de 1990, os pesquisadores começaram a propor maneiras de fazer isso usando as sutilezas da mecânica quântica, mas os computadores quânticos estão chegando ao ponto em que podem testar as teorias.
A ideia-chave é fazer um qubit lógico de qubits físicos redundantes de uma forma que possa verificar se os qubits concordam com certos fatos da mecânica quântica sem nunca conhecer o estado de qualquer um deles individualmente.
Não pode melhorar no átomo
Existem muitos códigos de correção de erros quânticos propostos para escolher, e alguns são mais naturais para uma abordagem específica para criar um computador quântico. Cada maneira de fazer um computador quântico tem seus próprios tipos de erros, bem como pontos fortes únicos. Portanto, construir um computador quântico prático requer entender e trabalhar com os erros e vantagens específicos que sua abordagem traz para a mesa.
O computador quântico baseado em armadilha de íons com o qual Monroe e seus colegas trabalham tem a vantagem de que seus qubits individuais são idênticos e muito estáveis. Como os qubits são íons eletricamente carregados, cada qubit pode se comunicar com todos os outros na linha por meio de cutucadas elétricas, dando liberdade em comparação com sistemas que precisam de uma conexão sólida com vizinhos imediatos.
“Eles são átomos de um determinado elemento e isótopo, então são perfeitamente replicáveis”, diz Monroe. “E quando você armazena coerência nos qubits e os deixa em paz, ela existe essencialmente para sempre. Portanto, o qubit quando deixado sozinho é perfeito. Para usar esse qubit, temos que cutucá-lo com lasers, temos que fazer coisas com ele, temos que segurar o átomo com eletrodos em uma câmara de vácuo, todas essas coisas técnicas têm ruído e podem afetar o qubit.”
Para o sistema de Monroe, a maior fonte de erros é o emaranhamento de operações – a criação de links quânticos entre dois qubits com pulsos de laser. As operações de entrelaçamento são partes necessárias da operação de um computador quântico e da combinação de qubits em qubits lógicos. Portanto, embora a equipe não possa esperar que seus qubits lógicos armazenem informações de forma mais estável do que os qubits de íons individuais, corrigir os erros que ocorrem ao emaranhar qubits é uma melhoria vital.
Os pesquisadores selecionaram o código Bacon-Shor como uma boa combinação para as vantagens e fraquezas de seu sistema. Para este projeto, eles precisavam apenas de 15 dos 32 íons que seu sistema pode suportar, e dois dos íons não foram usados como qubits, mas apenas necessários para obter um espaçamento uniforme entre os outros íons. Para o código, eles usaram nove qubits para codificar de forma redundante um único qubit lógico e quatro qubits adicionais para escolher locais onde ocorreram erros potenciais. Com essa informação, os qubits defeituosos detectados podem, em teoria, ser corrigidos sem que a “quantidade” dos qubits seja comprometida pela medição do estado de qualquer qubit individual.
“A parte principal da correção de erros quânticos é a redundância, e é por isso que precisávamos de nove qubits para obter um qubit lógico”, diz o estudante de pós-graduação da JQI Laird Egan, que é o primeiro autor do artigo. “Mas essa redundância nos ajuda a procurar erros e corrigi-los, porque um erro em um único qubit pode ser protegido pelos outros oito.”
A equipe usou com sucesso o código Bacon-Shor com o sistema de armadilha de íons. O qubit lógico resultante exigia seis operações de emaranhamento - cada uma com uma taxa de erro esperada entre 0.7% e 1.5%. Mas graças ao design cuidadoso do código, esses erros não se combinam em uma taxa de erro ainda maior quando as operações de emaranhamento foram usadas para preparar o qubit lógico em seu estado inicial.
A equipe observou apenas um erro na preparação e medição do qubit em 0.6% das vezes - menos do que o menor erro esperado para qualquer uma das operações individuais de emaranhamento. A equipe conseguiu então mover o qubit lógico para um segundo estado com um erro de apenas 0.3%. A equipe também introduziu erros intencionalmente e demonstrou que poderia detectá-los.
“Esta é realmente uma demonstração da correção de erros quânticos, melhorando o desempenho dos componentes subjacentes pela primeira vez”, diz Egan. “E não há razão para que outras plataformas não possam fazer a mesma coisa à medida que crescem. É realmente uma prova de conceito que a correção de erros quânticos funciona.”
À medida que a equipe continua essa linha de trabalho, eles dizem que esperam obter sucesso semelhante na construção de portas lógicas quânticas ainda mais desafiadoras a partir de seus qubits, realizando ciclos completos de correção de erros onde os erros detectados são corrigidos ativamente e entrelaçando vários qubits lógicos juntos. .
“Até este artigo, todos estavam focados em fazer um qubit lógico”, diz Egan. “E agora que fizemos um, pensamos: 'Qubits lógicos únicos funcionam, então o que você pode fazer com dois?'”
Referência: “Controle tolerante a falhas de um qubit corrigido para erros” por Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina e Christopher Monroe, 4 de outubro de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y
