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Pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering desenvolveram um novo computador quântico que utiliza “átomos reconfiguráveis”. Esses qubits móveis podem se comunicar eficientemente com vários vizinhos, aprimorando as capacidades de correção de erros.

Uma equipe da Universidade de Chicago criou um novo modelo de computação quântica que usa menos qubits para correção de erros, aumentando a eficiência e a escalabilidade por meio de códigos qLDPC inovadores e matrizes de átomos reconfiguráveis .

Os delicados qubits em computadores quânticos fornecem uma ferramenta computacional poderosa, mas também representam um desafio: como os engenheiros podem criar sistemas quânticos práticos e viáveis ​​a partir de bits que são tão facilmente perturbados — e perdem dados — por pequenas mudanças em seu ambiente?

Engenheiros há muito tempo lutam para tornar os computadores quânticos menos propensos a erros, geralmente desenvolvendo maneiras de detectar e corrigir erros em vez de preveni-los em primeiro lugar. No entanto, muitos desses esquemas de correção de erros envolvem a duplicação de informações em centenas ou milhares de qubits físicos de uma vez, o que rapidamente se torna difícil de escalar de forma eficiente.

Agora, uma equipe de cientistas liderada por pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da Universidade de Chicago desenvolveu o projeto para um computador quântico que pode corrigir erros de forma mais eficiente. O sistema usa uma nova estrutura, baseada em códigos quantum low-density party-check (qLDPC) — que podem detectar erros observando a relação entre bits — bem como um novo hardware envolvendo matrizes de átomos reconfiguráveis, que permitem que qubits se comuniquem com mais vizinhos e, portanto, permitem que os dados qLDPC sejam codificados em menos qubits.

“Com este projeto proposto, reduzimos a sobrecarga necessária para correção de erros quânticos, o que abre novos caminhos para ampliar computadores quânticos”, disse Liang Jiang, professor de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho, publicado na Nature Physics .

Ruído intrínseco

Enquanto computadores padrão dependem de bits digitais — em uma posição ligada ou desligada — para codificar dados, qubits podem existir em estados de superposição, dando a eles a capacidade de lidar com novos problemas computacionais. No entanto, as propriedades únicas dos qubits também os tornam incrivelmente sensíveis ao seu ambiente; eles mudam de estado com base na temperatura e no eletromagnetismo ao redor.

“Sistemas quânticos são intrinsecamente barulhentos. Não há realmente nenhuma maneira de construir uma máquina quântica que não tenha erros”, disse Qian Xu, um estudante de pós-graduação da PME que liderou o novo trabalho. “Você precisa ter uma maneira de fazer correção de erros ativa se quiser escalar seu sistema quântico e torná-lo útil para tarefas práticas.”

Nas últimas décadas, os cientistas se voltaram principalmente para um tipo de correção de erros, chamados códigos de superfície, para sistemas quânticos. Nesses sistemas, você codifica simultaneamente a mesma informação lógica em muitos bits físicos, organizados em uma grande grade bidimensional. Erros podem ser deduzidos comparando qubits com seus vizinhos diretos. Uma incompatibilidade sugere que um qubit falhou.

“O problema com isso é que você precisa de uma sobrecarga enorme de recursos”, disse Xu. “Em alguns desses sistemas, você precisa de mil qubits físicos para cada qubit lógico, então, a longo prazo, não achamos que podemos escalar isso para computadores muito grandes.”

Reduzindo a redundância

Em seu novo sistema, Jiang, Xu e colegas da Universidade Harvard, Caltech, Universidade do Arizona e QuEra Computing visaram, em vez disso, usar códigos qLDPC para corrigir erros. Esse tipo de correção de erros já havia sido considerado há muito tempo, mas não implementado em um projeto realista.

Com códigos qLDPC, os dados em qubits não são apenas comparados a vizinhos diretos, mas também a qubits mais distantes. Isso permite que uma grade menor de qubits seja usada para atingir o mesmo número de comparações para correção de erros. No entanto, esse tipo de comunicação de longa distância entre qubits sempre foi o ponto crítico na implementação do qLDPC.

Os pesquisadores encontraram uma solução na forma de novo hardware: átomos reconfiguráveis ​​que podem ser movidos com lasers para permitir que qubits se comuniquem com novos parceiros.

“Com os sistemas de matriz de átomos reconfiguráveis ​​de hoje, podemos controlar e manipular mais de mil qubits físicos com alta fidelidade e conectar qubits separados por uma grande distância”, disse Harry Zhou da Universidade Harvard e QuEra Computing. “Ao combinar a estrutura dos códigos quânticos e essas capacidades de hardware, podemos implementar esses códigos qLDPC mais avançados com apenas algumas linhas de controle, colocando a realização deles ao alcance dos sistemas experimentais de hoje.”

Quando eles combinaram códigos qLDPC com matrizes de átomos neutros reconfiguráveis, a equipe conseguiu atingir uma taxa de erro melhor do que usar códigos de superfície com apenas algumas centenas de qubits físicos. Ao aumentar a escala, algoritmos quânticos envolvendo milhares de qubits lógicos puderam ser realizados com menos de 100.000 qubits físicos — muito mais eficientes do que os códigos de superfície padrão-ouro.

“Ainda há redundância em termos de codificação de dados em múltiplos qubits físicos, mas a ideia é que reduzimos muito essa redundância”, disse Xu.

A estrutura ainda é teórica, embora os cientistas estejam desenvolvendo rapidamente plataformas de matrizes atômicas que se movem em direção ao uso prático da computação quântica corrigida por erros. A equipe do PME está agora trabalhando para refinar ainda mais seu projeto e garantir que os qubits lógicos que dependem de códigos qLDPC e matrizes atômicas reconfiguráveis ​​possam ser usados ​​na computação.

“Acreditamos que, a longo prazo, isso nos permitirá construir computadores quânticos muito grandes com taxas de erro mais baixas”, disse Xu.

Referência: “Computação quântica tolerante a falhas de sobrecarga constante com matrizes de átomos reconfiguráveis” por Qian Xu, J. Pablo Bonilla Ataides, Christopher A. Pattison, Nithin Raveendran, Dolev Bluvstein, Jonathan Wurtz, Bane Vasić, Mikhail D. Lukin, Liang Jiang e Hengyun Zhou, 29 de abril de 2024, Nature Physics .
DOI: 10.1038/s41567-024-02479-z