Manipular estados quânticos em um chip supercondutor resfriado a uma fração de grau acima do zero absoluto no fundo de um refrigerador criogênico é incrivelmente desafiador. E as coisas nem sempre saem como planejado. Erros acontecem. Muitos erros. Estratégias sofisticadas são necessárias para extrair uma computação confiável do que, de outra forma, seriam apenas alguns bits de saída aleatórios. O sucesso só é possível se os erros não forem extremamente comuns.
Hoje, o Google Quantum AI anunciou a construção de um chip quântico no qual os erros não são muito comuns. Ele faz uso do código de superfície, essencialmente, um patch quadrado de qubits físicos acoplados ao vizinho mais próximo que trabalham juntos para formar um único qubit lógico mais confiável. À medida que o patch quadrado fica maior, um qubit lógico deve ficar mais confiável, e é exatamente isso o que demonstramos: um chip com qubits lógicos que se torna mais confiável a um fator de dois a cada aumento no tamanho do patch.
Mas por que isso é necessário? O que são erros quânticos e como eles são corrigidos?
Daremos aqui uma breve versão das respostas e, se você quiser mais do que uma breve visão geral, pode ir direto para o curso prático de correção de erros quânticos, já disponível gratuitamente na Coursera, onde encontrará uma série de vídeos e exercícios para desenvolver sua compreensão. "Este novo curso abre uma porta para um domínio complexo, tornando a correção de erros quânticos não apenas acessível, mas também tangível para milhões de alunos em todo o mundo", diz Marni Baker Stein, diretora de conteúdo da Coursera. "Nossa colaboração com um pioneiro do setor como o Google Quantum AI significa mais um passo em direção a um futuro em que o conhecimento é a chave para aproveitar o poder da computação quântica."
Vamos começar com os erros clássicos. Você tem um bit. Suponha que ele seja 0. Mas um raio cósmico o atinge e ele se torna 1. Esse é um erro de inversão de bits, o único tipo de erro em um computador clássico. Em comparação, um chip quântico não consiste em bits, mas sim em sistemas quânticos multiníveis tão frios que têm estados discretos e excitados bem definidos. Escrevemos esses estados como |0>, |1>, |2> etc. Quando um raio cósmico atinge um qubit que deveria ser |0>, ele pode produzir uma superposição a |0> + b|1> + c|2> + ... de muitos estados. A engenharia cuidadosa de nosso dispositivo tornou nossos qubits robustos para todos, exceto para os impactos mais energéticos, permitindo-nos computar os resultados e simplesmente descartar a saída quando somos atingidos.
Na computação, tentamos usar apenas os estados |0> e |1>, mas os erros de controle e medição inevitavelmente levam ao estado |2+> ocasional, conhecido como erro de vazamento. Redefinir um qubit elimina esse erro, mas também elimina todos os dados desse qubit, então temos uma porta especial que move estados mais altos dos qubits de dados para um qubit prestes a ser redefinido. Isso evita o acúmulo de estados |2+> no computador.
Depois, há o problema de que os dados quânticos simplesmente não gostam de ficar por aí por muito tempo. Os qubits gostam de relaxar. Se você usar um estado excitado para representar |1>, depois de um curto período de tempo ele relaxará para |0>. Também queremos ser capazes de armazenar superposições como a|0> + b|1>, e esse "mais" pode se tornar espontaneamente um "menos" ou um erro de inversão de fase. As várias maneiras pelas quais os qubits perdem dados são chamadas coletivamente de decoerência. Em geral, a decoerência pode produzir um estado completamente diferente do que queremos, mas, felizmente, essa diferença pode ser dividida em uma combinação de inversões de bits e inversões de fases; para simplificar, nós os chamamos de erros X e Z.
Vamos começar com uma imagem do nosso chip quântico.
Esta é uma matriz 2D de qubits apenas com interações com o vizinho mais próximo. Os qubits de dados armazenam nosso precioso estado quântico. Os qubits de medição são usados para detectar erros X e Z. Uma boa maneira de entender isso é imaginar cada região azul-clara detectando erros Z nos qubits de dados que toca, e cada região azul-escura detectando erros X. Um erro Z em um qubit de dados ativa as regiões azuis-claras vizinhas, localizando-as e permitindo-nos compensar sua presença no software. Desde que a densidade de erros X e Z seja baixa o suficiente, o padrão de regiões iluminadas nos dará informações claras que nos permitirão encontrar e compensar esses erros.
Se um qubit de medição sofrer um erro, isso poderá produzir uma região falsamente ativada. Para lidar com isso, a busca por erros é repetida com a maior frequência possível e, na próxima vez que a verificação for realizada, há uma boa chance de que ela seja resolvida. Isso cria uma assinatura identificável para um erro de medição, permitindo que esse tipo de erro também seja tratado no software. Essa é uma área de pesquisa em andamento: desenvolver algoritmos mais sofisticados para lidar com a saída de qubits de medição a fim de identificar melhor a localização e o tipo de erro e, ao mesmo tempo, manter o ritmo do computador quântico.
O que abordamos acima é apenas a superfície da correção de erros quânticos e o papel fundamental que ela desempenha no avanço da computação quântica. Para obter uma explicação passo a passo e laboratórios que partem do básico, passando por estados e circuitos quânticos e algumas das mais recentes ferramentas de correção de erros usadas atualmente, acesse o Coursera para ver nosso curso prático de correção de erros quânticos.
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Esta é uma área empolgante da pesquisa que combina teoria da ciência da computação, engenharia de software e física quântica:
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