Microsoft e Quantinuum criam computador quântico mais confiável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/04/2024

O processador usado tem 32 qubits físicos, que foram interligados em seus qubits lógicos.
[Imagem: Quantinuum]

Correção de erros na computação quântica

Seguindo um projeto feito por engenheiros da Microsoft, a fabricante de chips Quantinuum criou um processador quântico que dá um passo enorme na solução de um dos maiores entraves para a construção de computadores quânticos mais poderosos: a correção de erros.

As propriedades quânticas que permitem que esses computadores funcionem são extremamente frágeis. Com isto, os qubits perdem os dados tão facilmente que os erros se tornam tão frequentes que acabam drenando a tão esperada supremacia quântica.

Embora já existam projetos de qubits de luz com correção de erros integrada, as duas empresas usaram o conceito de qubits lógicos, grupos de qubits físicos interconectados através do entrelaçamento quântico - como há muitas unidades físicas compartilhando o mesmo dado, o sistema adquire uma capacidade de correção de erros.

A parceria das duas empresas avançou quando a equipe da Microsoft conseguiu otimizar seus próprios avanços na correção de erros, reduzindo em 10 vezes uma estimativa original de 300 qubits físicos necessários para criar quatro qubits lógicos, o mínimo para realizar tarefas de teste válidas. Ao conseguir projetar quatro qubits lógicos com apenas 30 qubits físicos, a técnica ficou ao alcance do processador quântico H2 da Quantinuum, que tem 32 qubits.

Os quatro qubits lógicos geraram apenas 0,125% dos erros observados quando os 30 qubits funcionaram desagrupados.
[Imagem: Quantinuum]

Virtualização de qubits

No final do ano passado, uma equipe da Universidade de Harvard e da empresa emergente QuEra apresentou um processador quântico tolerante a falhas com 48 qubits lógicos, o que é 12 vezes mais do que nesta demonstração.

A vantagem aqui é a equipe conseguiu usar um qubit a menos por qubit lógico e o sistema gerou uma taxa de erros menor, atingindo o que a equipe da Microsoft chama de "Fase 2 de Resiliência", o que não havia sido alcançado por nenhuma outra equipe.

Nesta primeira bateria de testes da virtualização de qubits, a equipe rodou 14.000 rotinas de um algoritmo quântico sem erros, um resultado geral sem precedentes. O teste também serviu para demonstrar múltiplas rodadas de "extração de síndrome ativa", que é uma capacidade essencial de correção de erros para medir e detectar a ocorrência de erros sem destruir a informação quântica codificada no qubit lógico.

"Em 2025, apresentaremos um novo computador quântico da série H, o Helios, que aproveita o melhor que a série H tem a oferecer, melhorando tanto a contagem física de qubits quanto a fidelidade física. Isso levará nós e nossos usuários abaixo do limite para um conjunto mais amplo de códigos de correção de erros, e tornará esse dispositivo capaz de suportar pelo menos 10 qubits lógicos altamente confiáveis," anunciou a Quantinuum.

É geralmente aceito na comunidade científica que serão necessários pelo menos 100 qubits lógicos para criar um computador quântico capaz de rodar programas que resolvam problemas do mundo real.

Existem também propostas de novas arquiteturas de computação quântica para diminuir os erros e os qubits.
[Imagem: Riken Center for Quantum Computing]

Entenda a correção de erros com qubits lógicos

Os componentes semicondutores usados na computação clássica também cometem erros, mas a tolerância a falhas é bem compreendida e fácil de ser resolvida: Basta copiar o valor de uma variável, guardando-o em outra célula de memória, criando redundância. O desenvolvimento de transistores extremamente robustos e com taxas de erros muito baixas também ajudou. Mas na computação quântica não é possível copiar os dados dessa maneira, e só agora começamos a fabricar qubits.

Em termos teóricos o problema da correção de erros na computação quântica já é bem conhecido e vem sendo tratado por diversas abordagens. Por outro lado, os qubits atuais são incrivelmente delicados, sendo necessário controlar os estados quânticos precisos de átomos individuais, algo que é muito propenso a erros. Além disso, há uma lei fundamental da física quântica conhecida como "teorema da não clonagem, que diz que não se pode simplesmente copiar qubits, o que significa que algumas das técnicas usadas na correção de erros clássica não estão disponíveis em máquinas quânticas.

Uma das soluções mais promissoras envolve entrelaçar grupos de qubits físicos, criando assim um qubit lógico, armazenar as informações nesse estado entrelaçado e, então lançar mão de funções complexas para realizar cálculos com correção de erros. Todo esse processo é feito com o único propósito de chegar a um nível de erros nos qubits lógicos que seja inferior aos erros nos qubits físicos envolvidos.

No entanto, a implementação das tais "funções complexas" para correção quântica de erros exige um número significativo de operações. Assim, a menos que a fidelidade física de cada qubit seja boa o suficiente, a implementação de um código quântico de correção de erros adicionará mais ruído ao seu circuito do que eliminará. Mas, quando a fidelidade física for boa o suficiente (ou seja, quando a taxa de erro físico estiver "abaixo do limite"), o código de correção de erros de fato começará a ajudar, produzindo erros lógicos abaixo dos erros físicos. Foi o que a equipe conseguiu agora.

"A conquista de hoje só foi possível usando o computador quântico H2 da Quantinuum, com sua incomparável fidelidade de porta de dois qubits de 99,8%; os 32 qubits em nossa arquitetura QCCD; e conectividade de qubit todos para todos. Com base no desempenho excepcional dos nossos sistemas atuais, continuaremos a inovar para tornar a computação quântica universal tolerante a falhas uma realidade mais cedo do que se imaginava," disse Rajeeb Hazra, da Quantinuum.

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