O Google fez um avanço no campo da computação quântica. Graças a um processador novo e aprimorado e a um sistema de correção de erros aprimorado, foi possível aumentar significativamente a vida útil de um qubit quântico. Como relata a Ars Technica, os cientistas conseguiram criar o processador quântico Willow, que pela primeira vez superou o limite da correção quântica de erros. Isto significa que à medida que o número de qubits aumenta, a taxa de erro não aumenta, mas diminui. Além disso, em um processador de 105 qubit totalmente equipado, o bit quântico lógico permaneceu estável por uma hora em média.
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Para desenvolver tecnologias quânticas, o Google construiu seu próprio centro de produção para criar processadores supercondutores. “Anteriormente, todos os dispositivos Sycamore eram fabricados em um laboratório compartilhado na universidade, onde estudantes de pós-graduação e outros pesquisadores trabalhavam nas proximidades em vários experimentos”, diz Julian Kelly, porta-voz da equipe do Google. “No entanto, investimos pesadamente na criação das novas instalações, na contratação de pessoal, no equipamento e na transferência de nossos processos para lá.”
O primeiro resultado do trabalho do novo centro foi um aumento no número de qubits para 105 unidades no processador Willow, que se tornou a segunda geração de processadores quânticos do Google. A nova arquitetura deste processador reduziu a taxa de erro aumentando o tamanho dos qubits individuais, tornando-os menos sensíveis ao ruído. Este progresso foi confirmado em testes realizados utilizando o benchmark proprietário do Google. “Descobrimos que completar uma tarefa em nosso novo processador leva menos de cinco minutos, enquanto um computador clássico levaria um tempo proporcional à idade do universo”, disse Kelly. Mais precisamente, Willow resolveu um problema do benchmark quântico RCS em menos de cinco minutos, o que teria levado ao Frontier (o supercomputador mais rápido do mundo) 10 septilhões (1.024) anos.
Um aspecto fundamental da pesquisa foi o comportamento dos qubits lógicos, que são o principal elemento da computação quântica. Eles consistem em vários qubits de hardware que trabalham juntos para detectar e corrigir erros. Para executar algoritmos complexos que levam horas para serem concluídos, a estabilidade de tais qubits é crítica, e o novo resultado do Google confirma que a correção aprimorada de erros pode fornecer o nível de confiabilidade necessário. A correção quântica de erros é um desafio que tem enfrentado os pesquisadores nos últimos 30 anos e tem dificultado o uso prático de computadores quânticos.
Para isso foi utilizado um código especial de correção de erros, que é um “código de superfície” (esse código também deve ser resistente a erros), que deve se encaixar perfeitamente na grade quadrada de qubits. Aumentar o tamanho desta malha e usá-la cada vez mais melhora a correção. O estudo descobriu que passar de uma distância de três para cinco para sete reduziu pela metade o número de erros em cada etapa. “Aumentamos a rede com este sistema e a taxa de erro cai pela metade a cada passo”, explicou Michael Newman, do Google.
No entanto, os qubits ainda estão sujeitos a falhas raras. Uma razão são as explosões locais de erros, outra razão reside em um fenômeno mais complexo que envolve erros simultâneos em uma região que consiste em cerca de 30 qubits. Até agora, apenas seis desses eventos foram registados, pelo que é difícil estudá-los, e o Google sublinha que “estes eventos são tão raros que é difícil para nós recolher estatísticas suficientes para os analisar”.
Além de melhorar a estabilidade, aumentar o tamanho do código de correção de erros pode aumentar significativamente o efeito de futuras melhorias de hardware. Por exemplo, o Google calculou que melhorar o desempenho dos qubits de hardware por um fator de dois a uma distância do código de Hamming de d-15 reduziria os erros lógicos dos qubits em 250 vezes. A uma distância de d-27, a mesma melhoria reduzirá os erros em mais de 10.000 vezes.
No entanto, a eliminação completa dos erros é impossível. “É importante compreender que sempre haverá um certo nível de erro, mas pode ser reduzido a um nível onde se torne quase insignificante”, observou a empresa. Embora sejam necessárias mais pesquisas para aumentar a vida útil dos qubits lógicos e dimensionar o sistema, a equipe do Google está confiante em atingir seus objetivos, e melhorias exponenciais confirmam a viabilidade da tecnologia.
Os resultados obtidos abrem caminho para a construção de sistemas quânticos úteis na prática. Até o final da década, o Google planeja criar um computador quântico completo e tolerante a falhas e começar a fornecer computação quântica por meio da nuvem.