Computadores quânticos não serão verdadeiramente úteis até que possam corrigir seus próprios erros. Eles já são uma realidade, mas cometem um número excessivo de falhas. Este é, possivelmente, o maior obstáculo para que a tecnologia se torne realmente prática, embora descobertas recentes sugiram que uma solução pode estar próxima.
Erros também surgem em computadores tradicionais, mas já existem técnicas consolidadas para corrigi-los. Elas dependem de redundância, usando bits extras para detectar quando os valores 0 e 1 são trocados por engano. No mundo quântico, porém, isso é muito mais difícil.
As leis da mecânica quântica proíbem a duplicação de informação dentro de um computador quântico. Por isso, a redundância deve ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits – as unidades básicas desses computadores – e usando fenômenos que só existem no ambiente quântico, como o emaranhamento. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos, e descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é central para definir como eliminar os erros.
Um progresso acelerado recente deixou os pesquisadores otimistas. “É um momento muito animador na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão realmente entrando em contato”, diz Robert Schoelkopf, da Universidade de Yale.
Um dos entraves para a correção quântica de erros tem sido a quantidade de qubits físicos necessária para formar um qubit lógico, o que torna todo o computador quântico caro e de construção complexa. Mas Xiayu Linpeng, da Academia Internacional de Quântica da China, e sua equipe demonstraram recentemente que isso não precisa ser assim.
Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que comete menos erros e pode sinalizar automaticamente um erro quando ele ocorre. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados por emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros sorrateiros.
A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computação quântica poderiam ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas, com algumas falhas ocorrendo apenas uma vez em um milhão de manipulações de qubits.
Embora abordagens como essas capturem muitos erros, computadores quânticos úteis terão que conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns erros ainda vão aparecer. Por isso, Arian Vezvaee da startup Quantum Elements e seus colegas testaram uma forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar uma capa de chuva sob um guarda-chuva.
A ideia principal é não deixar nenhum qubit ocioso por muito tempo, pois isso faz com que ele perca suas propriedades quânticas especiais e se corrompa. A equipe mostrou que dar “chutes” extras de radiação eletromagnética a qubits ociosos pode criar o emaranhamento mais confiável entre qubits lógicos já registrado até hoje.
A forma exata de combinar qubits físicos em qubits lógicos é realmente importante para alguns dos cálculos mais precisos, como descobriu David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. Lá, a precisão necessária é tão alta que métodos básicos de correção de erro não são suficientes.
Essa inovação em programas de correção de erro será decisiva para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, diz James Wootton da startup Moth Quantum. “Ainda estamos em uma fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as peças da correção de erro se encaixam.” Ele afirma que os computadores quânticos ainda não podem operar de forma eficaz sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecerem.
A pesquisa contínua nessa área envolve diversas instituições e empresas ao redor do mundo, refletindo a natureza global da competição por avanços na computação quântica. Os investimentos tanto do setor público quanto privado continuam a impulsionar experimentos em diferentes plataformas tecnológicas, como íons presos, supercondutores e pontos quânticos, cada uma com seus próprios desafios na implementação de esquemas robustos de correção de erros. A comunidade científica segue testando métodos tanto em hardware quanto em software, em busca de uma combinação que permita escalar os sistemas para um número prático de qubits lógicos estáveis.
