Os computadores quânticos não serão verdadeiramente úteis até que possam corrigir seus próprios erros.
Os computadores quânticos já existem, mas eles cometem erros em excesso. Este é possivelmente o maior obstáculo para que a tecnologia se torne realmente útil, mas descobertas recentes sugerem que uma solução pode estar a caminho.
Erros também surgem nos computadores tradicionais, mas há técnicas bem estabelecidas para corrigi-los. Elas dependem de redundância, onde bits extras são usados para detectar quando 0s trocam incorretamente para 1s ou vice-versa. No mundo quântico, porém, isso é muito mais difícil.
As leis da mecânica quântica proíbem que a informação seja duplicada dentro de um computador quântico. Portanto, a redundância deve ser alcançada espalhando informações por grupos de qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – e usando fenômenos que só existem em ambientes quânticos, como quando partículas ficam ligadas via emaranhamento quântico. Esses grupos de qubits são chamados de qubits lógicos e descobrir a melhor forma de construí-los e usá-los é importante para determinar como eliminar erros.
Um aumento recente no progresso deixou os pesquisadores otimistas. É um momento muito animador na correção de erros. Pela primeira vez, teoria e prática estão realmente entrando em contato, diz Robert Schoelkopf da Universidade de Yale.
Um dos entraves para a correção quântica de erros tem sido que o número de qubits necessários para fazer um qubit lógico tende a ser grande, o que torna todo o computador quântico caro e difícil de construir. Mas Xiayu Linpeng da Academia Internacional de Quântica na China e sua equipe demonstraram recentemente que isso não precisa ser assim.
Os pesquisadores descobriram que apenas dois qubits supercondutores podem ser combinados com um pequeno ressonador para criar um qubit maior que comete menos erros e pode sinalizar automaticamente um erro quando ele ocorre. Eles foram além e mostraram como três desses qubits podem ser agrupados por emaranhamento quântico para aumentar o poder computacional sem erros sorrateiros.
A equipe de Schoelkopf também demonstrou recentemente como várias operações necessárias para programas de computador quântico poderiam ser implementadas com o mesmo tipo de qubit e taxas de erro excepcionalmente baixas, com alguns erros ocorrendo tão raramente quanto uma vez em um milhão de manipulações de qubits.
Ainda que abordagens como essa capturem muitos erros, computadores quânticos úteis terão que conter milhares de qubits lógicos, o que significa que alguns ainda vão aparecer. Por isso, Arian Vezvaee da startup Quantum Elements e seus colegas testaram uma forma de adicionar mais proteção contra erros aos qubits lógicos, como usar um casaco de chuva debaixo de um guarda-chuva.
A ideia principal é não deixar nenhum qubit ocioso por muito tempo, pois isso faz com que ele perca suas propriedades quânticas especiais e se corrompa. A equipe mostrou que dar a qubits ociosos “chutes” extras de radiação eletromagnética pode criar o emaranhamento mais confiável até hoje entre qubits lógicos.
A receita exata de como combinar qubits físicos em qubits lógicos importa muito para alguns dos cálculos mais precisos, como descobriu David Muñoz Ramo da empresa de computação quântica Quantinuum e seus colegas ao investigar um algoritmo que determina a menor energia possível que uma molécula de hidrogênio pode ter. Lá, a precisão necessária é tão alta que os métodos básicos de correção de erros não são suficientes.
Tal inovação em programas de correção de erros será importante para o sucesso ou fracasso dos computadores quânticos, diz James Wootton da startup Moth Quantum. Ainda estamos em uma fase em que os pesquisadores estão aprendendo como todas as peças da correção de erros se encaixam. Os computadores quânticos ainda não podem operar de forma eficaz sem erros, mas estamos começando a ver os fundamentos de engenharia disso aparecerem, ele afirma.
Além do desafio técnico da correção de erros, o desenvolvimento da computação quântica também depende de avanços em outras áreas. A estabilidade e o controle dos qubits físicos continuam sendo um campo de pesquisa intensa. Materiais mais adequados e novas arquiteturas de hardware são explorados para aumentar a coerência quântica, que é o tempo durante o qual um qubit mantém sua informação.
Paralelamente, o desenvolvimento de software e algoritmos quânticos avança, mesmo com as limitações atuais dos hardwares. Pesquisadores trabalham para criar programas que possam executar tarefas úteis mesmo em máquinas ruidosas, um passo intermediário até que a correção de erros em larga escala se torne realidade. A colaboração entre universidades, empresas e governos é vista como vital para superar esses obstáculos complexos e interligados.
