Demônio de Maxwell reduz erros dos computadores quânticos de 20% para 1%

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/12/2022

O demônio permite escolher um qubit cujo valor é realmente "0", garantindo a confiabilidade das computações seguintes, explica o professor Andre Morello.
[Imagem: UNSW]

Demônio para apagar dados

Um novo método para apagar o valor de um qubit em um computador quântico vai garantir não apenas maior confiabilidade nos cálculos, como também reduzir o tamanho do fantasma da correção de erros, um dos maiores desafios destes tempos iniciais da computação quântica.

Para minimizar a quantidade de erros, os qubits atuais são mantidos em temperaturas criogênicas - a maioria deles é feita de supercondutores - para reduzir o "ruído" térmico, que faz com que os qubits percam seus dados.

Um das grandes dificuldades está em resetar o qubit, ou dar-lhe o valor "0", para apagar um dado que não é mais necessário e prepará-lo para receber um novo dado.

"A maneira normal de preparar o estado quântico de um elétron é ir a temperaturas extremamente baixas, perto do zero absoluto, e esperar que todos os elétrons relaxem para o estado '0' de baixa energia," explica o professor Mark Johnson, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. "Infelizmente, mesmo usando os refrigeradores mais potentes, ainda tínhamos 20% de chance de preparar o elétron no estado '1' por engano. Isso não era aceitável, tínhamos que fazer melhor do que isso."

E você pode olhar para a solução que a equipe encontrou de dois modos: Em princípio, ela parece incrivelmente simples, do tipo "Como eles não pensaram nisso antes"; por outro lado, a solução passa por um dos mais "esotéricos" experimentos da física, o famoso demônio de Maxwell, um ser imaginário que interfere com a entropia, separando as partículas quentes das frias e impedindo o caminho normal de equalização das temperaturas.

Além de usar um único elétron como qubit, o hardware da equipe aproveita toda a tecnologia atual da microeletrônica de silício.
[Imagem: Mark A. I. Johnson et al. - 10.1103/PhysRevX.12.041008]

Demônio embutido no computador quântico

A equipe australiana foi pioneira no uso de spins de elétrons no silício para codificar e manipular informações quânticas, tendo recentemente demonstrado uma fidelidade recorde na execução de operações quânticas - ou seja, uma probabilidade muito baixa de erros.

O último obstáculo restante para computações quânticas eficientes com elétrons era a fidelidade de preparar o elétron em um estado conhecido como ponto de partida do cálculo, o "0" do qubit. A saída foi incumbir o demônio de Maxwell de fazer o trabalho.

"Aqui nós usamos um 'demônio' muito mais moderno - um voltímetro digital muito rápido - para observar a temperatura de um elétron retirado aleatoriamente de uma piscina quente de elétrons. Ao fazer isso, nós o tornamos muito mais frio do que a piscina de onde ele veio, e isso corresponde a uma alta certeza de ele estar no estado computacional '0'," explicou o professor Andrea Morello, coordenador da equipe.

O instrumento de medição digital muito rápido - na verdade é um único transístor - "observa" o estado do elétron em tempo real, e então usa um processo de tomada de decisão embutido dentro do instrumento para decidir se deve manter esse elétron e usá-lo para cálculos adicionais ou procurar outro com a cabeça mais fria.

"O demônio foi um experimento mental, para debater a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica, mas é claro que tal demônio nunca existiu," disse o Prof. Morello. "Agora, usando eletrônica digital rápida, de certa forma nós criamos um. Nós o incumbimos de observar apenas um elétron e garantir que ele esteja o mais frio possível. Aqui, 'frio' se traduz diretamente em estar no estado '0' do computador quântico que queremos construir e operar."

O efeito desse processo tão simples foi reduzir a probabilidade de erro de 20% para 1%, o que é um salto qualitativo gigantesco, dando um grande impulso ao hardware da equipe, que já conta com a vantagem de se basear inteiramente no bem conhecido silício.

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