Falar em computação quântica é falar de um assunto que ainda tem muitos desafios a serem superados, mas o surgimento de novos códigos para correção de erros parece ser algo mais viável do que o esperado.
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Recentes simulações revelaram que um novo tipo de código, chamado “low-density parity check” (ou LDPC), pode ser significamente mais eficiente que o padrão ouro atual, o código de superfície.
Duas equipes independentes descobriram que esses códigos LDPC podem construir qubits “protegidos” usando 10 a 15 vezes menos qubits base do que o código de superfície. Em termos simples, isso significa obter mais eficiência com menos recursos. E embora estas descobertas ainda sejam simulações, elas sugerem que estamos à beira de uma revolução nos dispositivos quânticos.
Daniel Gottesman, especialista da Universidade de Maryland em códigos LDPC, acredita que esses códigos possam ser a inovação que os computadores quânticos precisavam. Os computadores clássicos, operando por bits (a menor unidade de informação computacional) raramente falham, já os qubits nos computadores quânticos são muito sensíveis e podem perder suas propriedades com facilidade. Por isso, a correção de erros quânticos é essencial para garantir a confiabilidade dos dados.
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Em 1998, Alexei Kitaev, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, e Sergey Bravyi, então do Instituto Landau de Física Teórica na Rússia, introduziram o código quântico de superfície para organizar e corrigir erros em qubits, algo parecido com um jogo de campo minado: Neste sistema, cada qubit se conecta a outros quatro e, através da verificação de qubits auxiliares específicos, é possível monitorar sutilmente quatro qubits que carregam dados. Essa inspeção permite identificar e corrigir erros que podem ter ocorrido nos qubits vizinhos.
Uma característica especial desse método é que ele consegue “esconder” um qubit confiável dentro do conjunto de qubits da grade, que não fica em um ponto específico, mas sim difundido por toda parte. Contanto que os qubits mantenham a operação do campo minado em ordem, esse qubit oculto permanece seguro, podendo ser usado para realizar operações. Portanto, o código de superfície é capaz de fundir muitos qubits não confiáveis em um único qubit que raramente erra.
Pela simplicidade e eficácia, o código de superfície se tornou o padrão ouro na correção de erros, influenciando o design de processadores quânticos. No entanto, o código tem sua desvantagem: uma demanda por uma quantidade enorme de qubits. Blocos maiores de qubits são necessários para proteger o qubit confiável. E isso se torna um desafio para a computação quântica quando se deseja operar com múltiplos qubits protegidos, por ser algo muito oneroso.
Em busca de uma solução, em 2013, Gottesman sugeriu uma nova abordagem usando códigos LDPC, que poderiam fazer um trabalho similar com menos qubits. A questão agora é adaptar essa ideia para a realidade prática dos dispositivos quânticos.
Proteção em teste na computação quântica
Nos últimos dois anos, Breuckmann, um físico que se tornou matemático na Universidade de Bristol, e sua equipe se debruçaram sobre o desempenho dos códigos LDPC, ajustando-os para sistemas cada vez menores. A ideia era fazer com que pudessem ser compatíveis com os dispositivos atuais, que oferecem cerca de 100 qubits brutos.
Recentemente, uma equipe da IBM, sob a liderança de Bravyi, revelou uma simulação do LDPC mais compacto e prático até agora. Em seus testes, conseguiram fazer maravilhas. Por exemplo, em uma das simulações, a equipe usou 288 qubits brutos com uma taxa de falha de 0,1% e os usou para criar 12 qubits protegidos com uma taxa de falha 10.000 vezes menor. Para obter o mesmo resultado com o código de superfície, seria necessário um investimento de mais de 4.000 qubits. Um avanço impressionante para a computação quântica!
Esses resultados sugerem que podemos estar mais próximos do que imaginamos de uma correção de erros mais eficiente. Gottesman disse que já podemos observar uma considerável tolerância a falhas nos dispositivos que temos atualmente.
Porém, é importante destacar que simular é uma coisa, implementar é outra. E, nesse aspecto, há desafios significativos. Primeiramente, criar conexões não locais entre qubits não é tarefa simples, especialmente para tecnologias baseadas em circuitos supercondutores imóveis, como os da IBM. Em segundo lugar, enquanto os códigos LDPC mostraram eficácia como memória, sua estrutura complexa apresenta dificuldades para cálculos.
A equipe de Lukin da Universidade de Harvard, tomou algumas medidas para contornar esses desafios, como combinar memória protegida por LDPC com processador protegido por código de superfície. Esta abordagem conseguiu manter boa parte das economias de qubit, embora os cálculos demorassem mais.
Além disso, o grupo de Lukin está explorando qubits que não estão fixos, mas que são átomos mantidos por feixes de laser. Ao mover os lasers, é possível aproximar qubits distantes. Uma técnica que, segundo Breuckmann, é perfeita para os códigos LDPC.
A grande questão é quando os códigos LDPC se tornarão práticos em uma escala mais ampla na computação quântica. Ainda há um caminho a ser percorrido, mas as simulações recentes indicam que o código de superfície pode ser apenas uma etapa intermediária, e não o fim da jornada.
Breuckmann resume bem: “Há uma razão para o código de superfície existir há 20 anos. É difícil superá-lo, mas agora temos evidências de que podemos fazer justamente isso.”
Fonte: Quanta Magazine
