Os pesquisadores desenvolveram um método inovador para identificar erros em computadores quânticos, melhorando significativamente a eficiência da correção de erros. Este avanço emprega monitoramento de erros em tempo real em computações quânticas, marcando uma mudança significativa na pesquisa em computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com
Com um rápido pulso de luz, os pesquisadores agora podem encontrar e apagar erros em tempo real.
Os pesquisadores desenvolveram um método que pode revelar a localização de erros em computadores quânticos, tornando-os até dez vezes mais fáceis de corrigir. Isto irá acelerar significativamente o progresso em direção a computadores quânticos de grande escala, capazes de resolver os problemas computacionais mais desafiadores do mundo, disseram os pesquisadores.
Liderado por Universidade de PrincetonJeff Thompson, da equipe, demonstrou uma maneira de identificar quando erros ocorrem em computadores quânticos com mais facilidade do que nunca. Esta é uma nova direção para a pesquisa sobre Computação quântica hardware, que mais frequentemente busca simplesmente diminuir a probabilidade de ocorrência de um erro.
Abordagem Inovadora em Computação Quântica
Um artigo detalhando a nova abordagem foi publicado recentemente na revista Natureza. Os colaboradores de Thompson incluem Shruti Puri em Universidade de Yale e Guido Pupillo da Universidade de Estrasburgo.
Os físicos têm inventado novos qubits – o componente central dos computadores quânticos – há quase três décadas e melhorado constantemente esses qubits para serem menos frágeis e menos propensos a erros. Mas alguns erros são inevitáveis, não importa quão bons sejam os qubits. O obstáculo central para o desenvolvimento futuro de computadores quânticos é a capacidade de corrigir esses erros. No entanto, para corrigir um erro, primeiro você precisa descobrir se ocorreu um erro e onde ele está nos dados. E normalmente, o processo de verificação de erros introduz mais erros, que precisam ser encontrados novamente e assim por diante.
A capacidade dos computadores quânticos de gerenciar esses erros inevitáveis permaneceu mais ou menos estagnada durante esse longo período, de acordo com Thompson, professor associado de engenharia elétrica e de computação. Ele percebeu que havia uma oportunidade de distorcer certos tipos de erros.
“Nem todos os erros são criados iguais”, disse ele.
Pesquisadores liderados por Jeff Thompson, da Universidade de Princeton, desenvolveram uma técnica que torna 10 vezes mais fácil corrigir erros em um computador quântico. Crédito: Frank Wojciechowski
Avanços na correção de erros quânticos
O laboratório de Thompson trabalha em um tipo de computador quântico baseado em átomos neutros. Dentro da câmara de ultra-alto vácuo que define o computador, os qubits são armazenados na rotação de átomos individuais de itérbio mantidos no lugar por feixes de laser focados chamados pinças ópticas. Neste trabalho, uma equipe liderada pelo estudante de pós-graduação Shuo Ma usou uma matriz de 10 qubits para caracterizar a probabilidade de ocorrência de erros ao manipular primeiro cada qubit isoladamente e, em seguida, manipular pares de qubits juntos.
Eles encontraram taxas de erro próximas ao estado da arte para um sistema desse tipo: 0,1% por operação para qubits únicos e 2% por operação para pares de qubits.
Porém, o principal resultado do estudo não são apenas as baixas taxas de erro, mas também uma forma diferente de caracterizá-los sem destruir os qubits. Ao usar um conjunto diferente de níveis de energia dentro do átomo para armazenar o qubit, em comparação com trabalhos anteriores, os pesquisadores conseguiram monitorar os qubits durante a computação para detectar a ocorrência de erros em tempo real. Essa medição faz com que os qubits com erros emitam um flash de luz, enquanto os qubits sem erros permanecem escuros e não são afetados.
Este processo converte os erros em um tipo de erro conhecido como erro de apagamento. Erros de apagamento foram estudados no contexto de qubits feitos de fótons e há muito se sabe que são mais simples de corrigir do que erros em locais desconhecidos, disse Thompson. No entanto, este trabalho é a primeira vez que o modelo de erro de apagamento foi aplicado a qubits baseados em matéria. Segue um proposta teórica no ano passado, de Thompson, Puri e Shimon Kolkowitz, da Universidade da Califórnia-Berkeley.
Na demonstração, aproximadamente 56% dos erros de um qubit e 33% dos erros de dois qubits foram detectáveis antes do final do experimento. Crucialmente, o ato de verificar erros não causa significativamente mais erros: os pesquisadores mostraram que a verificação aumentou a taxa de erros em menos de 0,001 por cento. Segundo Thompson, a fração de erros detectados pode ser melhorada com engenharia adicional.
O interior do sistema de computação quântica de átomo neutro baseado em itérbio desenvolvido no laboratório de Thompson. Crédito: Frank Wojciechowski
Resultados significativos e implicações futuras
Os pesquisadores acreditam que, com a nova abordagem, cerca de 98% de todos os erros deverão ser detectáveis com protocolos otimizados. Isso poderia reduzir os custos computacionais de implementação da correção de erros em uma ordem de grandeza ou mais.
Outros grupos já começaram a adaptar esta nova arquitetura de detecção de erros. Pesquisadores da Amazon Web Services e um grupo separado de Yale mostraram de forma independente como esse novo paradigma também pode melhorar sistemas que usam qubits supercondutores.
“Precisamos de avanços em muitas áreas diferentes para permitir a computação quântica útil e em grande escala. Um dos desafios da engenharia de sistemas é que esses avanços nem sempre resultam de forma construtiva. Eles podem puxar você em direções diferentes”, disse Thompson. “O que é bom sobre a conversão de apagamento é que ela pode ser usada em muitos qubits e arquiteturas de computador diferentes, para que possa ser implantada de forma flexível em combinação com outros desenvolvimentos.”
Referência: “Portas de alta fidelidade e conversão de apagamento de meio circuito em um qubit atômico” por Shuo Ma, Genyue Liu, Pai Peng, Bichen Zhang, Sven Jandura, Jahan Claes, Alex P. Burgers, Guido Pupillo, Shruti Puri e Jeff D ^ Thompson, 11 de outubro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06438-1
Autores adicionais no artigo “Portões de alta fidelidade com conversão de apagamento de meio circuito em um qubit de átomo neutro metaestável” incluem Shuo Ma, Genyue Liu, Pai Peng, Bichen Zhang e Alex P. Burgers, em Princeton; Sven Jandura em Estrasburgo; e Jahan Claes em Yale. Este trabalho foi apoiado em parte pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Escritório de Pesquisa Naval, DARPAa National Science Foundation e a Sloan Foundation.
