Para construir um computador quântico de grande escala que funcione, cientistas e engenheiros precisam superar os erros espontâneos que os bits quânticos, ou qubits, geram durante sua operação.
Cientistas codificam esses blocos fundamentais da informação quântica para suprimir erros em outros qubits, de modo que uma minoria possa operar de maneira a produzir resultados úteis.
À medida que o número de qubits úteis (ou lógicos) cresce, o número de qubits físicos necessários aumenta ainda mais. Com essa escalabilidade, a quantidade imensa de qubits necessária para criar uma máquina quântica útil torna-se um pesadelo de engenharia.
Agora, pela primeira vez, cientistas quânticos do Laboratório de Controle Quântico do Instituto Nano da Universidade de Sydney demonstraram um tipo de porta lógica quântica que reduz drasticamente o número de qubits físicos necessários para sua operação.
Para isso, eles construíram uma porta lógica entrelaçante em um único átomo usando um código de correção de erros apelidado de ‘pedra de roseta’ da computação quântica. Esse nome é devido ao fato de que ele traduz oscilações quânticas contínuas e suaves em estados discretos limpos e semelhantes a digitais, tornando os erros mais fáceis de detectar e corrigir e, o mais importante, permitindo uma forma altamente compacta de codificar qubits lógicos.
Códigos GKP: Uma Pedra de Roseta para a Computação Quântica
Esse curioso código de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) há muitos anos oferece uma possibilidade teórica de reduzir significativamente o número físico de qubits necessários para produzir um ‘qubit lógico’ funcional. Embora trocando eficiência por complexidade, tornando os códigos muito difíceis de controlar.
Uma pesquisa publicada em 21 de agosto na Nature Physics demonstra isso como uma realidade física, aproveitando as oscilações naturais de um íon aprisionado (um átomo carregado de itérbio) para armazenar códigos GKP e, pela primeira vez, realizando portas de entrelaçamento quântico entre eles.
Comandada pelo Sydney Horizon Fellow Dr. Tingrei Tan, do Instituto Nano da Universidade de Sydney, os cientistas utilizaram seu controle excepcional sobre o movimento harmônico de um íon aprisionado para superar a complexidade de codificação dos qubits GKP, permitindo a demonstração de seu entrelaçamento.
“Nossos experimentos demonstraram a primeira realização de um conjunto de portas lógicas universais para qubits GKP,” disse o Dr. Tan. “Fizemos isso controlando precisamente as vibrações naturais, ou oscilações harmônicas, de um íon aprisionado de tal forma que podemos manipular qubits GKP individuais ou entrelaçá-los em pares.”
Inovação em Porta Lógica Quântica e Software
Uma porta lógica é um interruptor de informação que permite que computadores – quânticos e clássicos – sejam programáveis para realizar operações lógicas. As portas lógicas quânticas utilizam o entrelaçamento de qubits para produzir um sistema operacional completamente diferente do utilizado na computação clássica, sustentando a grande promessa dos computadores quânticos.
O autor principal Vassili Matsos é um aluno de doutorado na Escola de Física e no Sydney Nano. Ele disse: “Efetivamente, armazenamos dois qubits lógicos autocorretivos em um único íon aprisionado e demonstramos o entrelaçamento entre eles.
“Fizemos isso utilizando um software de controle quântico desenvolvido pela Q-CTRL, uma empresa spin-off do Laboratório de Controle Quântico, com um modelo baseado em física para projetar portas quânticas que minimizam a distorção dos qubits lógicos GKP, de forma que eles mantenham a estrutura delicada do código GKP enquanto processam informações quânticas.”
Um Marco na Tecnologia Quântica
O que o Sr. Matsos fez foi entrelaçar duas ‘vibrações quânticas’ de um único átomo. O átomo aprisionado vibra em três dimensões. O movimento em cada dimensão é descrito pela mecânica quântica e cada um é considerado um ‘estado quântico’. Ao entrelaçar dois desses estados quânticos realizados como qubits, o Sr. Matsos criou uma porta lógica usando apenas um único átomo, um marco na tecnologia quântica.
Esse resultado reduz significativamente o hardware quântico necessário para criar essas portas lógicas, que permitem que máquinas quânticas sejam programadas.
O Dr. Tan afirmou: “Os códigos de correção de erros GKP há muito prometem uma redução nas demandas de hardware para enfrentar o desafio do custo de recursos para escalar computadores quânticos. Nossos experimentos alcançaram um marco importante, demonstrando que esses controles quânticos de alta qualidade fornecem uma ferramenta chave para manipular mais do que apenas um qubit lógico.”
“Ao demonstrar portas quânticas universais usando esses qubits, temos uma base para trabalhar em direção ao processamento de informação quântica em grande escala de maneira altamente eficiente em termos de hardware.”
Em três experimentos descritos no artigo, a equipe do Dr. Tan usou um único íon de itérbio contido em um que é conhecido como armadilha de Paul. Essa armadilha utiliza uma complexa rede de lasers em temperatura ambiente para manter o único átomo na armadilha, permitindo que suas vibrações naturais sejam controladas e utilizadas para produzir os complexos códigos GKP.
Essa pesquisa representa uma demonstração importante de que portas lógicas quânticas podem ser desenvolvidas com um número reduzido de qubits físicos, aumentando sua eficiência.
Os autores declaram não ter interesses conflitantes. O financiamento foi recebido do Conselho Australiano de Pesquisa, da Bolsa Sydney Horizon, do Escritório de Pesquisa da Marinha dos EUA, do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, da Lockheed Martin, da Academia Quântica de Sydney e de financiamento privado de H. e A. Harley.
