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Os computadores quânticos do futuro são promissores na solução de todos os tipos de problemas. Por exemplo, poderiam levar a materiais mais sustentáveis, novos medicamentos e até resolver os problemas mais difíceis da física fundamental. Mas, em comparação com os computadores clássicos em uso hoje, os computadores quânticos rudimentares são mais propensos a erros. Não seria bom se os pesquisadores pudessem simplesmente pegar uma borracha quântica especial e se livrar dos erros?
Reportagem no diário Natureza, um grupo de pesquisadores liderado pela Caltech está entre os primeiros a demonstrar um tipo de borracha quântica. Os físicos mostram que podem identificar e corrigir erros em sistemas de computação quântica, conhecidos como erros de “apagamento”.
“Normalmente é muito difícil detectar erros em computadores quânticos, porque apenas o ato de procurar erros faz com que mais erros ocorram”, diz Adam Shaw, co-autor principal do novo estudo e estudante de pós-graduação no laboratório de Manuel Endres, um professor de física na Caltech. “Mas mostramos que, com algum controle cuidadoso, podemos localizar e apagar com precisão certos erros sem consequências, daí o nome apagamento.”
Os computadores quânticos baseiam-se nas leis da física que governam o reino subatômico, como o emaranhamento, um fenômeno no qual as partículas permanecem conectadas e imitam umas às outras sem estarem em contato direto. No novo estudo, os pesquisadores se concentraram em um tipo de plataforma de computação quântica que utiliza matrizes de átomos neutros, ou átomos sem carga. Especificamente, eles manipularam átomos neutros alcalino-terrosos individuais confinados dentro de “pinças” feitas de luz laser. Os átomos foram excitados para estados de alta energia – ou estados “Rydberg” – nos quais os átomos vizinhos começam a interagir.
“Os átomos em nosso sistema quântico conversam entre si e geram emaranhamento”, explica Pascal Scholl, o outro co-autor principal do estudo e ex-bolsista de pós-doutorado na Caltech que agora trabalha em uma empresa de computação quântica na França chamada PASQAL.
O emaranhamento é o que permite que os computadores quânticos superem os computadores clássicos. “No entanto, a natureza não gosta de permanecer nestes estados quânticos emaranhados”, explica Scholl. “Eventualmente, ocorre um erro que quebra todo o estado quântico. Esses estados emaranhados podem ser considerados cestos cheios de maçãs, onde os átomos são as maçãs. Com o tempo, algumas maçãs começarão a apodrecer, e se essas maçãs não forem removidas da cesta e substituídas por outras frescas, todas as maçãs apodrecerão rapidamente. Não está claro como evitar totalmente que esses erros aconteçam, então a única opção viável hoje em dia é detectá-los e corrigi-los.
O novo sistema de detecção de erros foi projetado de tal forma que os átomos errados ficam fluorescentes, ou acendem, quando atingidos por um laser. “Temos imagens dos átomos brilhantes que nos dizem onde estão os erros, por isso podemos deixá-los de fora das estatísticas finais ou aplicar pulsos de laser adicionais para corrigi-los ativamente”, diz Scholl.
A teoria para implementar a detecção de apagamento em sistemas de átomos neutros foi desenvolvida pela primeira vez por Jeff Thompson, professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Princeton, e seus colegas. Essa equipe também relatou recentemente a demonstração da técnica na revista Natureza.
Ao remover e localizar erros em seu sistema de átomos de Rydberg, a equipe do Caltech afirma que pode melhorar a taxa geral de emaranhamento, ou fidelidade. No novo estudo, a equipe relata que apenas um em cada 1.000 pares de átomos não conseguiu se emaranhar. Isso representa uma melhoria de fator de 10 em relação ao que foi alcançado anteriormente e é a maior taxa de emaranhamento já observada neste tipo de sistema.
Em última análise, esses resultados são um bom presságio para plataformas de computação quântica que usam matrizes de átomos neutros Rydberg. “Os átomos neutros são o tipo de computador quântico mais escalável, mas não tinham fidelidades de alto emaranhamento até agora”, diz Shaw.
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