A suscetibilidade à interferência é o ponto mais fraco dos computadores quânticos. Soluções clássicas não podem ser usadas para proteger contra erros de computação quântica. Tanto redundância extrema quanto arquiteturas sofisticadas vêm em nosso socorro. A Amazon está apostando neste último, prometendo abrir caminho para plataformas quânticas práticas.
Fonte da imagem: AI generation Grok 3/3DNews
Em um novo artigo, pesquisadores da Amazon demonstraram uma combinação de hardware tolerante a falhas e um circuito corretor de erros. Pelo menos os qubits da Amazon não exigem nova física, assim como a nova arquitetura quântica tolerante a erros da Microsoft, baseada em férmions de Majorana. Simplificando, a Amazon está usando soluções testadas pelo tempo de uma maneira original, e essa abordagem tem perspectivas claras.
A plataforma de computação quântica da Amazon combina dois tipos diferentes de qubits de hardware para melhorar a estabilidade das informações quânticas: os estados quânticos dos qubits. A ideia é que um tipo de qubit seja resistente a um tipo de erro, e o outro possa ser usado para implementar código de correção de erros para os erros restantes, o que detecta problemas emergentes na cadeia computacional (algorítmica). A demonstração da Amazon não foi em grande escala, mas mostrou em um nível básico que a abordagem poderia estar correta.
Em um computador normal, ocorre apenas um tipo de erro: uma inversão de bits, quando, sob a influência das circunstâncias, 0 pode se tornar 1 e vice-versa. Assim como acontece com a maioria das coisas relacionadas à computação quântica, as coisas são muito mais complicadas com qubits. Como eles não contêm valores binários, mas probabilidades, então, no caso de uma troca errônea de um qubit, retornar seu estado verdadeiro apresentará uma certa complexidade.
Mas a troca de bits não é o único problema que pode surgir. Os qubits também podem sofrer dos chamados erros de troca de fase. Eles não têm análogos em computadores clássicos, mas também interferem na operação normal dos computadores quânticos.
Em 2021, funcionários da Amazon mostraram que era possível criar qubits extremamente resistentes a um tipo de erro: inversão de bits. Na nova obra, esse conceito se confirma e, de fato, se torna básico. Para esse propósito, são utilizados os chamados qubits de gato. Os qubits são nomeados em homenagem ao gato de Schrödinger, que está em um estado de superposição.
Na verdade, este é um estado quântico de grupo, espalhado por diversas partículas elementares, em particular, fótons. Uma troca errônea de um fóton em um grupo não afeta o estado quântico do grupo. Esse qubit condicionalmente não está sujeito a erros de troca de bits e eles podem ser esquecidos, o que significa que a arquitetura do computador será mais simples a priori. Será necessário corrigir não dois, mas apenas um tipo de erro associado à comutação de fase. É verdade que quanto mais fótons houver em um grupo, maior será a probabilidade de troca de fase errônea e, ao dimensionar a plataforma, algo terá que ser feito sobre isso também.
Detecção e correção de erros de deslocamento de fase usando código de repetição. Fonte da imagem: Natureza
É por causa dessas inversões de fase que um segundo conjunto de qubits, chamados transmons, foi introduzido. Transmons são um tipo de qubit amplamente utilizado, baseado em um loop de fio supercondutor conectado a um ressonador de micro-ondas, e são usados por empresas como IBM e Google. Transmons supercondutores foram usados para conectar os qubits de gato, permitindo que a equipe criasse um qubit lógico corretor de erros usando um código simples de correção de erros chamado código de repetição.
Transmons que descobriram erros levantaram suspeitas. Fonte da imagem: Natureza
No diagrama esquemático acima, cada qubit cat está conectado ao seu transmon vizinho. Isso permite que os transmons rastreiem o que está acontecendo nos qubits do gato usando as chamadas medições fracas. Essas medições não destroem o estado quântico como em uma medição completa, mas permitem que mudanças em qubits de cat vizinhos sejam detectadas e as informações necessárias para corrigir erros, caso ocorram, possam ser extraídas.
Assim, a combinação desses dois métodos significa que quase todos os erros que ocorrem são erros de deslocamento de fase que são detectados e corrigidos, já que erros de inversão de bits não deveriam ocorrer no sistema por definição, embora de fato ocorram. Entretanto, se dois tipos de erros precisassem ser corrigidos simultaneamente, como era comum até agora, um número muito grande de qubits físicos seria necessário para implementar cada qubit lógico. No caso do design da Amazon, presume-se que apenas um tipo de erro precisará ser corrigido, e cada qubit lógico exigirá significativamente menos qubits físicos.
Em um estudo conduzido pela Amazon, eles mostraram que, ao comparar uma cadeia de três qubits cat e dois transmons com uma cadeia de cinco qubits cat e quatro transmons, a taxa de erro diminuiu à medida que a arquitetura se tornou mais complexa. Para sistemas quânticos típicos, o oposto geralmente é verdadeiro: quanto mais qubits houver, maior será a taxa de erro, pelo menos em grandes escalas. Ao fazer isso, a Amazon está reivindicando os benefícios de sua abordagem, que lhe permitirá aumentar o número de qubits físicos e lógicos e conter a probabilidade de aumento de erros computacionais.
Na realidade, tudo é muito mais complicado. Os próprios transmons são suscetíveis a ambos os tipos de erros, e a falha de um deles derrubará toda a computação. Além disso, os qubits de gato não podem se gabar de uma ausência completa de erros de troca de bits e, se tal erro ocorrer, os cálculos também não farão sentido. No entanto, a ideia proposta pela Amazon tem potencial e direito a mais desenvolvimento.