Os computadores quânticos só serão realmente úteis quando puderem corrigir seus próprios erros. Essas máquinas já existem, mas cometem uma quantidade muito grande de erros, o que é possivelmente o maior obstáculo para que a tecnologia se torne efetivamente útil. Avanços recentes indicam que uma solução pode estar no horizonte.
Erros também surgem em computadores tradicionais, mas existem técnicas consolidadas para corrigi-los. Elas se baseiam em redundância, usando bits extras para detectar quando 0s trocam para 1s incorretamente, ou vice-versa. No mundo quântico, porém, o desafio é muito maior.
As leis da mecânica quântica impedem que a informação seja duplicada dentro de um computador quântico. Por isso, a redundância deve ser alcançada espalhando a informação por grupos de qubits – os blocos básicos dos computadores quânticos – e utilizando fenômenos que só existem em ambientes quânticos, como quando partículas ficam ligadas por meio do emaranhamento quântico.
Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos. Descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é uma peça importante para determinar como eliminar os erros de modo mais eficiente.
Um crescimento recente no progresso da área deixou os pesquisadores otimistas. É um momento muito animador na correção de erros. Pela primeira vez, a teoria e a 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 necessidade de um número grande de qubits físicos para formar um qubit lógico. Isso torna o computador quântico caro e de difícil construção. Mas Xiayu Linpeng, da Academia Internacional de Quântica na China, e sua equipe mostraram recentemente que isso nem sempre precisa ser assim.
Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que, além de cometer menos erros, consegue sinalizar automaticamente quando um erro ocorre. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados por meio do emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem que erros não detectados apareçam.
A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computadores quânticos podem ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas. Alguns erros ocorreram tão raramente quanto uma vez em um milhão de manipulações de qubits.
Embora abordagens como essa capturem muitos erros, computadores quânticos úteis precisarão conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns erros ainda aparecerão. Por isso, Arian Vezvaee, da startup Quantum Elements, e seus colegas testaram uma forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos.
A ideia principal é não deixar nenhum qubit ocioso por muito tempo, pois isso faz com que eles percam suas propriedades quânticas especiais e se corrompam. A equipe mostrou que dar “impulsos” extras de radiação eletromagnética a qubits ociosos pode criar o emaranhamento mais confiável até hoje entre qubits lógicos.
A receita exata de como combinar qubits físicos em qubits lógicos é muito relevante para alguns dos cálculos mais precisos. David Muñoz Ramo, da empresa de computação quântica Quantinuum, e seus colegas perceberam isso ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. A precisão necessária é tão alta que os métodos básicos de correção de erros não são suficientes.
Inovações em programas de correção de erros serão determinantes 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 erros se encaixam. Os computadores quânticos ainda não podem operar de forma eficaz sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso surgirem.
O desenvolvimento de métodos robustos para lidar com as falhas intrínsecas dos sistemas quânticos é um campo de pesquisa intenso. Várias outras linhas de investigação, além das mencionadas, exploram diferentes arquiteturas de qubits e protocolos de correção. O progresso contínuo nessa área é observado tanto em laboratórios acadêmicos quanto em empresas do setor privado, indicando um esforço coletivo para superar este que é considerado um dos principais desafios práticos da computação quântica.
