A China descobriu como enganar o Universo e criar um computador quântico tolerante a falhas

Há muito se sabe que os raios cósmicos podem causar erros na operação de computadores quânticos, que são muito mais difíceis de corrigir do que no caso de sistemas de computação clássicos. Cientistas da China comprovaram uma conexão direta entre raios espaciais e falhas em qubits, propondo uma maneira de compensá-los. O mais interessante é que o mesmo método pode ser usado para estudar raios cósmicos e até mesmo para procurar a misteriosa matéria escura.

Fonte da imagem: Nature Communications 2025

Qubits, ou bits quânticos, são altamente sensíveis a quaisquer influências físicas, desde vibrações a campos magnéticos. Partículas vindas do espaço e até mesmo radiação gama de origem terrestre também podem afetar os estados quânticos dos qubits. Para avaliar o impacto destes dois últimos fenômenos, cientistas da Academia de Ciência da Informação Quântica de Pequim, em colaboração com colegas de institutos especializados, criaram uma estrutura que combinava um processador quântico supercondutor de 63 qubits e detectores de múons e raios gama.

Os sensores foram posicionados diretamente abaixo do processador, permitindo que as partículas fossem vinculadas ao estado dos qubits. Os experimentos revelaram que os qubits respondiam a múons (um produto do decaimento de partículas cósmicas de alta energia na atmosfera terrestre) aproximadamente uma vez a cada 67 segundos, e com muito mais frequência à radiação gama (fótons nas frequências correspondentes). No total, 81,6% das explosões de quasipartículas nos qubits foram causadas por radiação gama, e os 18,4% restantes foram causados ​​por múons.

Deve-se explicar que os cientistas monitoraram os chamados estados de paridade de carga dos qubits. Partículas externas romperam os pares de elétrons de Cooper no material supercondutor do qubit, transformando elétrons individuais em quasipartículas. Isso levou a uma mudança na paridade de carga do qubit. Mais precisamente, um aumento repentino no aparecimento de quasipartículas surgiu nos qubits em resposta à passagem de múons ou fótons gama, o que foi registrado pelos dispositivos. Isso permitiu encontrar uma conexão clara entre a entrada de uma partícula energética no processador quântico e a falha do qubit.

Revestir a câmara criogênica com o processador e os sensores com chumbo reduziu o impacto dos fótons gama nas falhas dos qubits, mas não atrasou os múons. Idealmente, os computadores quânticos teriam que ser escondidos no subsolo para alcançar a computação quântica tolerante a falhas, o que não tornaria essa tecnologia amplamente difundida.

Por outro lado, a conexão descoberta entre falhas em qubits e partículas espaciais ajudará a criar algoritmos para corrigir tais erros. Em casos extremos, sensores de múons podem simplesmente desligar seções defeituosas do processador quântico. Isso complicará os sistemas quânticos, mas permitirá que eles funcionem sem se enterrar no subsolo.

Desenho experimental

O estudo levanta uma questão importante que lança dúvidas sobre as perspectivas de computadores quânticos tolerantes a falhas baseados em férmions de Majorana hipotéticos. Especialmente porque a Microsoft afirma ter um processador protótipo baseado nessas partículas. Mais precisamente, o processador Majorana 1 opera com quasipartículas que imitam o comportamento dos férmions de Majorana. Cientistas chineses demonstraram uma conexão entre partículas cósmicas e a instabilidade das quasipartículas, o que requer maior atenção ao processador da Microsoft e, em geral, às perspectivas dos férmions de Majorana como base para qubits. E estes são os principais candidatos a computadores quânticos tolerantes a falhas!

Uma consequência importante do estabelecimento de uma conexão entre partículas cósmicas e qubits é que as instalações criadas pelos chineses podem se tornar detectores de partículas desconhecidas da física, incluindo a busca por matéria escura. Mas isso é outra história.