Estudo revela limites na extensão em que erros quânticos podem ser “desfeitos” em grandes sistemas

Computadores quânticos têm o potencial de superar computadores convencionais em alguns problemas de processamento de informações praticamente relevantes, possivelmente até mesmo em aprendizado de máquina e otimização. No entanto, sua implantação em larga escala ainda não é viável, em grande parte devido à sua sensibilidade ao ruído, o que os faz cometer erros.

Uma técnica projetada para lidar com esses erros é conhecida como correção quântica de erros e é projetada para funcionar “on-the-fly”, monitorando erros e restaurando computações quando ocorrem erros. Apesar do enorme progresso nos últimos meses ao longo dessas linhas, essa estratégia continua experimentalmente altamente desafiadora e vem com sobrecargas substanciais de recursos.

Uma abordagem alternativa, conhecida como mitigação de erro quântico, funciona mais indiretamente: em vez de corrigir erros no momento em que eles surgem, a computação cheia de erros (ou versões modificadas dela) é executada até a conclusão. Somente no final, é que se volta para inferir qual foi o resultado correto. Este método foi proposto como uma solução “substituta” para lidar com erros feitos por computadores quânticos antes que a correção completa de erros possa ser implementada.

No entanto, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da École Normale Supérieure em Lyon, da Universidade da Virgínia e da Freie Universität Berlin mostraram que as técnicas de mitigação de erros quânticos se tornam altamente ineficientes à medida que os computadores quânticos ficam maiores e mais dimensionados.

Isso implica que a mitigação de erros não será uma panaceia de longo prazo para o problema perene do ruído na computação quântica. Seu artigo, publicado em Física da Naturezaoferece orientação sobre quais esquemas para mitigar o impacto adverso do ruído em computações quânticas estão fadados a ser ineficazes.

“Estávamos contemplando limitações à computação quântica de curto prazo usando portas quânticas ruidosas”, disse Jens Eisert, coautor do artigo, ao Phys.org.

“Nosso colega Daniel Stilck França tinha acabado de provar um resultado que equivalia a limitações convincentes da computação quântica de curto prazo. Ele tinha mostrado que para ruído despolarizante, em profundidade logarítmica, chegaríamos a um estado quântico que poderia ser capturado com técnicas de amostragem clássicas eficientes. Estávamos pensando sobre mitigação de erro quântico, mas então pensamos: espere, o que tudo isso significa para mitigação de erro quântico?”

O artigo recente de Yihui Quek, Daniel Stilck França, Sumeet Khatri, Johannes Jakob Meyer e Jens Eisert se baseia nessa questão de pesquisa, partindo para explorar os limites precisos da mitigação de erros quânticos. Suas descobertas revelam até que ponto a mitigação de erros quânticos pode ajudar a reduzir o impacto do ruído na computação quântica de curto prazo.

“A mitigação de erros quânticos deveria ser um substituto para a correção de erros quânticos, pois requer menos engenharia precisa para ser implementada, então havia a esperança de que pudesse ser alcançada, mesmo para as capacidades experimentais atuais”, disse Yihui Quek, principal autor do artigo, ao Phys.org.

“Mas quando analisamos esses esquemas de mitigação relativamente mais simples, começamos a perceber que talvez não seja possível ter o bolo e comê-lo — sim, eles exigem menos qubits e controle, mas muitas vezes isso tem o custo de ter que executar o sistema inteiro um número preocupantemente grande de vezes.”

Um exemplo de esquema de mitigação que a equipe descobriu ter limitações é conhecido como “extrapolação de erro zero”. Esse esquema funciona aumentando progressivamente a quantidade de ruído em um sistema e, em seguida, convertendo os resultados da computação mais ruidosa de volta para um cenário de ruído zero.

“Essencialmente, para combater o ruído, você deve aumentar o ruído no seu sistema”, explicou Quek. “Mesmo intuitivamente, está claro que isso não pode ser escalável.”

Circuitos quânticos (ou seja, processadores quânticos) consistem em camada sobre camada de portas quânticas, cada uma das quais é alimentada com as computações da camada anterior e as avança ainda mais. Se as portas forem ruidosas, no entanto, cada camada no circuito se torna uma espada de dois gumes, pois enquanto avança uma computação, a própria porta introduz erros adicionais.

“Isso cria um paradoxo terrível: você precisa de muitas camadas de portas (portanto, um circuito profundo) para fazer uma computação não trivial”, disse Quek.

“No entanto, um circuito mais profundo também é mais barulhento — é mais provável que produza bobagens. Então, há uma corrida entre a velocidade na qual você pode computar e a velocidade na qual os erros na computação se acumulam.

“Nosso trabalho mostra que há circuitos extremamente perversos para os quais o último é muito, muito mais rápido do que se pensava originalmente; tanto que para mitigar esses circuitos perversos, você precisaria executá-los um número inviável de vezes. Isso vale não importa qual algoritmo específico você use para mitigação de erros.”

O estudo recente de Quek, Eisert e seus colegas sugere que a mitigação de erros quânticos não é tão escalável quanto alguns previram. Na verdade, a equipe descobriu que, à medida que os circuitos quânticos são ampliados, o esforço ou os recursos necessários para executar a mitigação de erros aumentam muito.

“Como acontece com todos os teoremas proibidos, gostamos de vê-los menos como um obstáculo e mais como um convite”, disse Eisert.

“Talvez trabalhando com constituintes conectados geometricamente mais localmente, chegue-se a configurações muito mais otimistas, em cujo caso talvez nosso limite seja muito pessimista. Arquiteturas comuns frequentemente têm tais interações locais. Nosso estudo também pode ser visto como um convite para pensar em esquemas mais coerentes de mitigação de erro quântico.”

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisa podem servir como um guia para físicos e engenheiros quânticos em todo o mundo, inspirando-os a elaborar esquemas alternativos e mais eficazes para mitigar erros quânticos. Além disso, podem inspirar estudos futuros com foco em aspectos teóricos de circuitos quânticos aleatórios.

“Trabalhos dispersos anteriores sobre algoritmos individuais para mitigação de erros quânticos sugeriram que esses esquemas não seriam escaláveis”, disse Quek.

“Nós criamos uma estrutura que captura uma grande faixa desses algoritmos individuais. Isso nos permitiu argumentar que essa ineficiência que outros tinham visto é inerente à ideia de mitigação de erro quântico em si — e não tem nada a ver com a implementação específica.

“Isso foi possível graças ao maquinário matemático que desenvolvemos, que são os resultados mais fortes conhecidos até agora sobre a rapidez com que os circuitos podem perder suas informações quânticas devido ao ruído físico.”

No futuro, o artigo de Quek, Eisert e seus colegas pode ajudar os pesquisadores a identificar rapidamente os tipos de esquemas de mitigação de erros quânticos que provavelmente serão ineficazes. O principal insight conceitual das descobertas da equipe é cristalizar a intuição de que portas de longo alcance (ou seja, portas com qubits que são separados por grandes distâncias) podem ser vantajosas e problemáticas, pois produzem facilmente emaranhamento, avançando a computação, ao mesmo tempo em que espalham o ruído em um sistema mais rapidamente.

“Isso, é claro, abre a questão de se é mesmo possível atingir vantagem quântica sem usar esses ‘superespalhadores’ tanto da quanticidade quanto de seu pior inimigo (ou seja, ruído)”, acrescentou Quek. “Notavelmente, todos os nossos resultados não se mantêm quando há novos qubits auxiliares introduzidos no meio da computação, então alguma quantidade disso pode ser necessária.”

Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam mudar o foco dos problemas que identificaram para soluções potenciais para superar esses problemas. Alguns de seus colegas já fizeram algum progresso nessa direção, usando uma combinação de técnicas de benchmarking randomizado e mitigação de erro quântico.

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