Google reduz erros na computação quântica com cultivo de estados mágicos

Os computadores quânticos têm um problema inconveniente: são extraordinariamente eficientes a cometer erros.

Um dia, estas máquinas poderão resolver problemas capazes de deixar de joelhos até os supercomputadores convencionais mais potentes. Mas os estados quânticos que estão na origem da sua enorme capacidade de cálculo são também extremamente frágeis, pelo que manter os erros sob controlo é uma tarefa monumental.

Na verdade, um computador quântico plenamente funcional poderá acabar por dedicar a maior parte dos seus recursos, não à realização de cálculos, mas à simples verificação de que estão corretos.

Agora, investigadores da Google demonstraram uma nova forma de tornar a computação quântica consideravelmente menos propensa a erros, recorrendo a uma técnica cujo nome é apropriadamente sugestivo: «cultivo de estados mágicos».

«Os nossos resultados demonstram experimentalmente que o cultivo de estados mágicos é uma solução viável para um dos desafios mais importantes da computação quântica», escrevem os investigadores num artigo publicado na revista Science.

Porque precisam os computadores quânticos de estados mágicos?

As capacidades invulgares dos computadores quânticos resultam da estranha física que governa as partículas às escalas mais pequenas.

Num computador clássico, cada bit representa informação através de um de dois estados - 1 ou 0. Já os bits quânticos, ou qubits, podem existir numa sobreposição de ambos até serem medidos. A medição faz colapsar essa sobreposição, produzindo apenas um resultado definido.

A sensibilidade da sobreposição é simultaneamente uma vantagem e uma fraqueza. Os estados quânticos que conferem tanta potência a estas máquinas podem ser perturbados pela mais pequena interferência do meio envolvente, introduzindo erros capazes de comprometer rapidamente um cálculo.

Para controlar esses erros, os computadores quânticos necessitam de sistemas elaborados de correção, que utilizam vários qubits físicos para proteger a informação codificada num único qubit lógico.

Mesmo com essa proteção, subsiste outro obstáculo: algumas das operações necessárias a cálculos quânticos complexos são muito mais difíceis de executar de forma fiável do que outras.

Para o ultrapassar, os físicos inventaram os chamados «estados mágicos»: estados quânticos preparados antecipadamente que permitem aos computadores executar operações quânticas difíceis sem comprometer a correção de erros.

O problema é que cada estado mágico só pode ser usado uma vez, pelo que um computador quântico necessita de um fornecimento constante de novos estados. E a própria preparação desses estados é uma tarefa difícil.

Como podem surgir erros durante a preparação, os investigadores têm recorrido tradicionalmente à destilação de estados mágicos. Esta técnica processa um conjunto de estados mágicos imperfeitos para produzir um número menor de estados mais fiáveis.

Embora seja eficaz, pode exigir uma grande quantidade de equipamento quântico e de tempo de processamento.

Como funciona o cultivo de estados mágicos da Google

Em 2024, investigadores da Google começaram a trabalhar numa ideia designada cultivo de estados mágicos.

Uma estufa pode ajudar a ilustrar a diferença. Nesta analogia, a destilação de estados mágicos seria como cultivar uma estufa inteira de roseiras e depois usá-las para produzir um número mais pequeno de exemplares premiados.

O cultivo de estados mágicos, pelo contrário, seria como fazer crescer uma única planta, cuidando dela e podando-a ao longo do processo para que atinja o seu melhor. Se algo correr mal em qualquer momento, a planta é descartada e começa-se de novo com outra semente.

No final, obtém-se uma planta verdadeiramente espetacular sem ter sido necessária uma estufa inteira. O objetivo não é necessariamente produzir um estado mágico melhor do que os obtidos pelos métodos convencionais, mas sim alcançar uma qualidade comparável com menos recursos.

A equipa da Google pôs agora a ideia à prova no seu processador quântico Willow, com resultados promissores.

Recorrendo ao cultivo de estados mágicos, os investigadores reduziram os erros no processo de preparação por um fator de cerca de 40 e produziram estados mágicos com uma fidelidade de, pelo menos, 99,99%.

Há, contudo, uma contrapartida. Para atingir esse nível de fiabilidade, tiveram de descartar a maioria das tentativas, conservando apenas cerca de 8% dos resultados nos ensaios mais rigorosos.

Medir e utilizar os estados cultivados

Durante o processo, surgiu também um contratempo estranho e significativo que levou a outro pequeno avanço.

Uma parte essencial da demonstração de uma técnica quântica é provar que funcionou. No caso de um estado mágico cultivado, isso é especialmente difícil: como medir com precisão algo que apresenta tão poucos erros?

Quando Emma Rosenfeld, física quântica da Google, testou pela primeira vez a técnica de cultivo, os resultados pareciam desafiar as leis da física, segundo uma publicação da empresa no seu blogue.

Foram precisos meses de investigação para identificar a origem do problema no próprio método usado para medir a fidelidade do estado. Pequenas flutuações nos equipamentos do laboratório, incluindo variações de temperatura, introduziam ruído que tornava pouco fiável a abordagem habitual da equipa.

Os investigadores acabaram por desenvolver uma nova técnica, chamada tomografia por retroação, que lhes permitiu avaliar a fiabilidade dos estados cultivados sem as distorções que tinham afetado as medições anteriores.

Por fim, a equipa demonstrou que o estado mágico cultivado podia ser transferido para um código quântico de correção de erros mais amplo - um passo crucial para o utilizar em cálculos quânticos reais.

O resultado não foi, porém, um sucesso completo: o código mais amplo introduziu erros adicionais. Esse será o próximo problema a resolver.

Ainda assim, os resultados mostram que o cultivo de estados mágicos pode funcionar em equipamento quântico real, oferecendo uma alternativa promissora aos métodos exigentes em recursos de que os investigadores têm dependido.

«Em última análise», escrevem os investigadores, «estas descobertas transformam o cultivo de estados mágicos de um estudo teórico numa realidade experimental, proporcionando uma via prática para a lógica universal em processadores supercondutores.»

A investigação foi publicada na revista Science.

Este artigo foi sujeito a verificação factual e editado por Peter Dockrill. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.