Computadores quânticos: estudo explora a correção de erros em tempo real

Os computadores quânticos prometem um salto extraordinário em termos de desempenho, mas grande parte dessa promessa continua por concretizar. Os equipamentos disponíveis atualmente são protótipos relativamente pequenos e limitados daquilo que poderá vir a ser possível.

Um dos principais obstáculos à expansão desta tecnologia é a necessidade de garantir tolerância a falhas: detetar e corrigir erros enquanto o computador executa os seus cálculos.

Uma nova investigação de uma equipa dos Estados Unidos, publicada na Nature Physics, demonstra parcialmente como poderá funcionar a correção de erros em tempo real. Os investigadores criaram um sistema de duas etapas, concebido para introduzir caos e depois corrigi-lo, seguindo o mesmo mecanismo básico necessário para alcançar a tolerância a falhas.

«Para construir um computador quântico tolerante a falhas, temos de fazer estas verificações e correções não apenas uma ou duas vezes, mas um número enorme de vezes durante um cálculo», afirma o físico Jedediah Pixley, da Universidade Rutgers, nos Estados Unidos.

«Esta experiência é um marco nesse caminho. Mostra que demos mais um passo importante para lá chegar.»

Porque precisam os computadores quânticos de correção de erros?

Os computadores clássicos funcionam com bits, que assumem o valor 1 ou 0. Já os qubits dos computadores quânticos podem ser 1, 0 ou qualquer valor intermédio, existindo numa sobreposição até serem medidos. É daí que resulta o aumento exponencial da capacidade de cálculo.

Os qubits são, no entanto, extremamente delicados e vulneráveis à interferência de fatores ambientais, como o calor ou o movimento. Por isso, a correção de erros é tão importante.

Para testar a nova abordagem, a equipa recorreu a um processador IBM Quantum Heron de 156 qubits, ligando até 100 qubits em simultâneo. O sistema foi configurado para alternar entre duas tarefas: a desordenação, que espalhava o caos pelo sistema, e o controlo, que repunha os qubits quando necessário.

«O desafio não consistia apenas em medir um qubit, mas em fazê-lo repetidamente enquanto o resto do processador continuava a funcionar», explica a física Maika Takita, da IBM.

«Esta experiência mostra que o equipamento atual consegue coordenar operações quânticas, medições e reposições milhares de vezes num sistema de grande dimensão.»

O equilíbrio entre caos e controlo

Ao longo das experiências, os investigadores alteraram o equilíbrio entre a desordenação e a reposição. Em quase 5.000 operações com qubits e perto de 5.000 verificações e reposições, a ordem foi restabelecida quando estas últimas representaram mais de metade do total de operações.

À medida que eram acrescentados mais qubits, o ponto de viragem tornava-se mais claro nos dados. Isso constitui uma indicação de que se trata de um verdadeiro efeito quântico e de uma transição de fase, semelhante à transformação uniforme da água em gelo.

«A concordância entre a experiência e a teoria mostrou que não se tratava de uma característica acidental de um pequeno circuito. Era um comportamento coletivo que emergia em todo o sistema quântico», afirma o físico Haining Pan, da Universidade da Flórida.

O que falta para aplicar o sistema à computação quântica

Os computadores quânticos não se tornarão tão cedo equipamentos domésticos comuns, como os computadores convencionais. Ainda assim, poderão ajudar em tarefas de processamento de informação de alto nível e enorme complexidade, desde testar o desenvolvimento de medicamentos e prever o tempo até simular materiais, impulsionar a inteligência artificial e muito mais.

Sabe-se agora que os mesmos mecanismos matemáticos de verificação e compensação associados à teoria do caos podem funcionar tanto num contexto quântico como num contexto clássico. É essa teoria que sustenta a ideia de que o bater das asas de uma borboleta no Brasil pode acabar por desencadear um tornado no Texas.

Para ter utilidade efetiva na computação quântica, o sistema de verificação e reposição aqui demonstrado terá de ser ampliado e utilizar regras mais complexas. Ainda assim, funciona como um teste de esforço para circuitos de retroação capazes de manter os sistemas quânticos a operar de forma estável e ordenada.

«Um comportamento fora de controlo pode ser controlado através de intervenções aleatórias, e existe uma taxa claramente definida à qual isso acontece», diz o físico Justin Wilson, da Universidade Estatal da Luisiana.

«Não era evidente que esta transição entre o caos e o controlo se mantivesse na física quântica, mas os nossos resultados mostram que assim é.»

A investigação foi publicada na Nature Physics.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.