Pesquisa sobre correção de erros quânticos revela insights fundamentais sobre sistemas quânticos

À medida que cientistas e pesquisadores recorrem cada vez mais à computação quântica para auxiliar na resolução de problemas complexos e avançar nossa compreensão do universo, a correção quântica de erros se tornou uma área crítica de investigação científica.

Aumentar a precisão e a confiabilidade dos computadores quânticos é essencial à medida que os cientistas exploram suas aplicações práticas, tanto para ciência fundamental quanto para futuras aplicações tecnológicas.

Nova pesquisa publicada em Física da Natureza em 3 de setembro de 2024 documenta a descoberta de uma nova maneira de separar códigos de correção de erros quânticos não triviais dos triviais.

A pesquisa mostra que essa nova linha de limite não é arbitrária e, portanto, representa um progresso fundamental em como os sistemas quânticos funcionam no mundo real. Ela abre caminho para aplicações futuras não apenas na computação quântica — mas também na matéria condensada (com relação à ordem topológica) e na gravidade quântica (com relação às teorias de campo conforme).

Em seu artigo, os pesquisadores Jinmin Yi, Weicheng Ye, Daniel Gottesman e Zi-Wen Liu — que foram apoiados em seus trabalhos pelo Perimeter — detalham sua descoberta de uma conexão matematicamente rigorosa entre as propriedades do código de Correção de Erro Quântico Aproximado (AQEC) e a complexidade dos circuitos quânticos. Usando essa conexão, os cientistas agora podem avaliar o nível de precisão do código quântico.

Além disso, a descoberta dos pesquisadores de que os códigos AQEC surgem naturalmente pode ajudar a responder algumas das maiores e mais desafiadoras questões da física.

“Essa nova linha divisória que estamos propondo entre códigos aceitáveis ​​e inaceitáveis ​​corresponde a algo fisicamente significativo”, disse o Dr. Daniel Gottesman, um antigo membro do corpo docente do Perimeter e atual Codiretor do Joint Center for Quantum Information and Computer Science da University of Maryland. “Isso mostra que isso não foi apenas uma coisa aleatória que criamos, mas que está conectado a algo fundamental.”

A descoberta tem aplicações em vários campos de estudo. Por exemplo, pesquisadores que estudam a ordem topológica — que explora as propriedades intrincadas de materiais quânticos como estados Hall quânticos fracionários e certos supercondutores — há muito tempo lutam com a lacuna entre condições de emaranhamento e propriedades de código. Esses cientistas agora têm as ferramentas para entender melhor a relação entre essas condições e avançar nossa compreensão de materiais únicos.

Jinmin Yi, aluno de doutorado da Perimeter e coautor do artigo, diz que sua pesquisa forneceu “uma compreensão quantitativa do porquê essas duas noções são realmente diferentes”, abrindo potencial para pesquisas futuras.

O estudo de AQECs também revelou insights intrigantes para cientistas que buscam integrar a mecânica quântica com a teoria da relatividade geral de Einstein — um dos desafios mais persistentes da física. Especificamente, avaliar AQECs usando variância de subsistema indicou que certos sistemas de Teoria de Campo Conforme têm mais probabilidade de se integrar com descrições gravitacionais.

Embora cada uma dessas áreas mereça um estudo mais aprofundado, os resultados iniciais são encorajadores e convidam à exploração futura do escopo e da utilidade da AQEC, juntamente com suas aplicações físicas e práticas.