O vidro da janela, no nível microscópico, apresenta uma estranha mistura de propriedades. Tal como um líquido, os seus átomos estão desordenados, mas tal como um sólido, os seus átomos são rígidos, pelo que uma força aplicada a um átomo faz com que todos eles se movam.

É uma analogia que os físicos usam para descrever um estado quântico chamado "vidro de spin quântico", no qual bits da mecânica quântica (qubits) em um computador quântico demonstram desordem (assumindo valores aparentemente aleatórios) e rigidez (quando um qubit vira, então fazer todos os outros). Uma equipe de pesquisadores da Cornell descobriu inesperadamente a presença desse estado quântico enquanto conduzia um projeto de pesquisa projetado para aprender mais sobre algoritmos quânticos e, relacionado, novas estratégias para correção de erros na computação quântica.

"Medir a posição de uma partícula quântica altera seu momento e vice-versa. Da mesma forma, para qubits existem quantidades que mudam umas às outras quando são medidas. Descobrimos que certas sequências aleatórias dessas medições incompatíveis levam à formação de um spin quântico. vidro", disse Erich Mueller, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências (A&S). “Uma implicação do nosso trabalho é que alguns tipos de informação são automaticamente protegidos em algoritmos quânticos que compartilham as características do nosso modelo”.

" Simetria de subsistema, ordem de vidro giratório e criticidade de medições aleatórias em um circuito Bacon-Shor bidimensional " publicado em 31 de julho na Physical Review B. O autor principal é Vaibhav Sharma, estudante de doutorado em física.

O professor assistente de física Chao-Ming Jian (A&S) é coautor junto com Mueller. Todos os três conduzem suas pesquisas no Laboratório de Física Atômica e do Estado Sólido (LASSP) da Cornell.

“Estamos tentando entender os recursos genéricos dos algoritmos quânticos – recursos que transcendem qualquer algoritmo específico ”, disse Sharma. "Nossa estratégia para revelar essas características universais foi estudar algoritmos aleatórios. Descobrimos que certas classes de algoritmos levam a uma ordem oculta de 'vidro giratório'. Estamos agora procurando outras formas de ordem oculta e pensamos que isso nos levará a um nova taxonomia de estados quânticos."

Algoritmos aleatórios são aqueles que incorporam um certo grau de aleatoriedade como parte do algoritmo – por exemplo, números aleatórios para decidir o que fazer a seguir.

A proposta de Mueller para o 2021 New Frontier Grant "Correção de erros de subsistema quântico autônomo" visava simplificar arquiteturas de computadores quânticos, desenvolvendo uma nova estratégia para corrigir erros de processador quântico causados por ruído ambiental - isto é, qualquer fator, como raios cósmicos ou campos magnéticos , isso interferiria nos qubits de um computador quântico, corrompendo informações.

Os bits dos sistemas de computador clássicos são protegidos por códigos de correção de erros, disse Mueller; as informações são replicadas para que, se um bit "virar", você possa detectá-lo e corrigir o erro. “Para que a computação quântica seja viável agora e no futuro, precisamos encontrar maneiras de proteger os qubits da mesma maneira.”

"A chave para a correção de erros é a redundância”, disse Mueller. “Se eu enviar três cópias de um bit, você pode saber se há um erro comparando os bits entre si. Tomamos emprestada a linguagem da criptografia para falar sobre tais estratégias e nos referimos ao conjunto repetido de bits como uma 'palavra-código'. "

Quando fizeram a descoberta sobre a ordem do spin-glass, Mueller e sua equipe estavam investigando uma generalização, onde múltiplas palavras-código são usadas para representar a mesma informação. Por exemplo, num código de subsistema, o bit “1” pode ser armazenado de 4 maneiras diferentes: 111; 100; 101; e 001.

“A liberdade extra que se tem nos códigos do subsistema quântico simplifica o processo de detecção e correção de erros”, disse Mueller.

Os pesquisadores enfatizaram que não estavam simplesmente tentando gerar um esquema melhor de proteção contra erros quando iniciaram esta pesquisa. Em vez disso, eles estavam estudando algoritmos aleatórios para aprender as propriedades gerais de todos esses algoritmos.

“Curiosamente, encontramos uma estrutura não trivial”, disse Mueller. "O mais dramático foi a existência desta ordem spin-glass, que aponta para a existência de alguma informação extra escondida flutuando, que deveria ser utilizável de alguma forma para a computação, embora ainda não saibamos como."