a) O código de repetição é uma
variante unidimensional (1D) do código de
superfície, e é
capaz de proteger contra erros (bit-flip). O código é implementado usando um padrão alternado de dados e medição de qubits. b)
Micrografia óptica do dispositivo quântico supercondutor, que consiste em nove qubits “transmon” com
controle e medição individual. c)
O algoritmo do código de repetição
utiliza repetidas operações de medidas e de emaranhamento que detectam
bit-flips, utilizando o
esquema de paridade no lado direito.
Usando o output a partir dos qubits medidos durante a
repetição do código para detecção de erro,
o estado inicial pode
ser recuperado removendo erros físicos no software. Texto e imagem: Nature
Os pesquisadores, liderados por John Martinis,
construíram um circuito quântico supercondutor que consiste em nove qubits.
Cada qubit é um pequeno circuito constituído por um condensador e um indutor
não-linear (chamado cruzamento Josephson), que atua como um átomo artificial.
Os materiais que compõem o conjunto são uma película de alumínio depositada em
um substrato de safira.
“Nosso sistema
de nove qubits pode proteger-se de erros de bits que inevitavelmente surgem do
ruído e flutuações do ambiente em que os qubits estão incorporados”,
explica o membro da equipe de Julian Kelly.
“Mostramos também que ‘mais é melhor’: nove qubits
protege o sistema melhor do que cinco qubits, um requisito fundamental quando
vai para mais qubits em um computador quântico real do futuro”.
Estados quânticos são frágeis
Os computadores quânticos vão funcionar com
base no princípio de que uma partícula quântica pode estar em uma superposição
de dois estados ao mesmo tempo – ‘spin up’ e ‘spin down’ no caso de um elétron,
por exemplo. Os dois estados representam um ‘1’ e ‘0’, de modo que N partículas
- os qubits - podem ser combinados, ou ‘emaranhados’, para representar valores
2N simultaneamente. Isso levaria ao processamento paralelo de informação em
grande escala, o que não é possível com os computadores convencionais.
Tais máquinas quânticas teriam um
desempenho muito melhor em determinadas tarefas, como a aprendizagem de máquina
ou simulação de moléculas complexas, por exemplo, porque suas velocidades de
processamento devem crescer exponencialmente com o número de qubits de informação
envolvidos. Na prática, porém, os físicos têm se esforçado para criar até mesmo
o computador quântico mais simples, porque a fragilidade desses estados
quânticos significa que eles são facilmente destruídos e são difíceis de
controlar.
Paridade de medição
“Na mecânica
quântica, não podemos medir um qubit sem destruir a superposição e
emaranhamento que faz com que a mecânica quântica funcione”, diz o
membro da equipa Rami Barends,
“mas podemos medir algo chamado paridade, que forma a
base da correção de erro quântico”.
Os pesquisadores exploraram esse fato e
repetidamente mediram a paridade entre ‘dados’ de qubits adjacentes, fazendo
uso de qubits de ‘medição’. “Cada ciclo, estes qubits
de medição interagem com seus qubits de dados circundantes, através de portas
lógicas quânticas e então podemos medi-los”, diz Kelly. “Quando ocorre um erro, a paridade muda de acordo e o qubit de
medição relata um resultado diferente. Ao acompanhar esses resultados, podemos
descobrir quando e onde ocorreu um erro de bit”.
Identificação e correção de erros
Um número maior de qubits fornece mais
informações para identificar e corrigir os erros, acrescenta Austin Fowler,
membro da equipe. “Erros podem ocorrer a qualquer
momento e em todos os tipos de qubits: qubits de dados, qubits de medição,
durante a operação da porta e até mesmo durante a medida. Descobrimos que um
dispositivo de cinco qubits é robusto para qualquer tipo de erro de bit que
ocorre em qualquer lugar durante um algoritmo, mas um dispositivo de nove qubits
é melhor porque é robusto para qualquer combinação de dois erros de bit”.
Embora ainda muito longe de aplicações no
mundo real, os pesquisadores dizem que um dispositivo de ‘auto-correção’ como o
deles poderia ser uma ótima plataforma para testar algumas das ideias por trás
da correção de erros - como proteger um estado quântico contra os famosos erros
de phase-flip. “Nós também estamos agora ocupados em melhorar a qualidade
dos nossos qubits e os materiais que usamos para fazê-los”, diz Kelly.
John Martinis
e vários outros especialistas descrevem os benefícios e desafios da computação
quântica em um podcast que apareceu pela primeira vez no site physicsworld.com: “A
computação quântica: Desafios, triunfos e aplicações”.
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