O poder de computação das máquinas quânticas ainda é muito baixo. Aumentar o desempenho é um grande desafio. Físicos da Universidade de Innsbruck, na Áustria, apresentam agora uma nova arquitetura para um computador quântico universal que supera tais limitações e pode ser a base da próxima geração de computadores quânticos em breve.

Bits quânticos (qubits) em um computador quântico servem como unidade de computação e memória ao mesmo tempo. Como a informação quântica não pode ser copiada, ela não pode ser armazenada na memória como em um computador clássico. Devido a essa limitação, todos os qubits em um computador quântico devem ser capazes de interagir entre si.

Atualmente, este ainda é um grande desafio para a construção de poderosos computadores quânticos. Em 2015, o físico teórico Wolfgang Lechner, juntamente com Philipp Hauke ??e Peter Zoller, abordou essa dificuldade e propôs uma nova arquitetura para um computador quântico, agora denominada arquitetura LHZ em homenagem aos autores.

"Esta arquitetura foi originalmente projetada para problemas de otimização ", diz Wolfgang Lechner, do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck, na Áustria. "No processo, reduzimos a arquitetura ao mínimo para resolver esses problemas de otimização da forma mais eficiente possível."

Os qubits físicos nesta arquitetura não representam bits individuais, mas codificam a coordenação relativa entre os bits. "Isso significa que nem todos os qubits precisam mais interagir uns com os outros", explica Wolfgang Lechner. Com sua equipe, ele agora mostrou que esse conceito de paridade também é adequado para um computador quântico universal .

Computadores de paridade podem realizar operações entre dois ou mais qubits em um único qubit. “Os computadores quânticos existentes já implementam essas operações muito bem em pequena escala”, explica Michael Fellner, da equipe de Wolfgang Lechner. "No entanto, à medida que o número de qubits aumenta, torna-se cada vez mais complexo implementar essas operações de portão".

Em duas publicações em Physical Review Letters e Physical Review A , os cientistas de Innsbruck agora mostram que computadores de paridade podem, por exemplo, realizar transformações quânticas de Fourier – um bloco de construção fundamental de muitos algoritmos quânticos – com significativamente menos etapas de computação e, portanto, mais rapidamente. "O alto paralelismo de nossa arquitetura significa que, por exemplo, o conhecido algoritmo Shor para fatoração de números pode ser executado com muita eficiência", explica Fellner.

O novo conceito também oferece correção de erros com eficiência de hardware. Como os sistemas quânticos são muito sensíveis a distúrbios, os computadores quânticos devem corrigir erros continuamente. Recursos significativos devem ser dedicados à proteção de informações quânticas , o que aumenta muito o número de qubits necessários. "Nosso modelo opera com uma correção de erro em dois estágios, um tipo de erro (erro de inversão de bits ou erro de fase) é evitado pelo hardware usado", escrevem Anette Messinger e Kilian Ender, também membros da equipe de pesquisa de Innsbruck.

Já existem abordagens experimentais iniciais para isso em diferentes plataformas. "O outro tipo de erro pode ser detectado e corrigido através do software", dizem Messinger e Ender. Isso permitiria que uma próxima geração de computadores quânticos universais fosse realizada com esforço gerenciável.

A empresa spin-off ParityQC, cofundada por Wolfgang Lechner e Magdalena Hauser, já está trabalhando em Innsbruck com parceiros da ciência e da indústria em possíveis implementações do novo modelo.