Computadores quânticos, que são baseados nas propriedades aparentemente mágicas do reino quântico, prometem uso em muitos campos diferentes, incluindo medicina, ciência dos materiais, criptografia e física fundamental. Mas enquanto os computadores quânticos de hoje podem ser úteis para estudar áreas de nicho da física, um computador quântico de propósito geral capaz de resolver problemas mais avançados ainda não é possível devido à sua sensibilidade inerente ao ruído. Vibrações, calor, interferência eletromagnética de celulares e redes Wi-Fi, ou mesmo raios cósmicos e radiação do espaço sideral, podem tirar qubits — bits quânticos — de seu estado quântico. Como resultado, os computadores quânticos cometem muito mais erros do que seus equivalentes de computador clássicos.

Reportando na edição de 26 de fevereiro do periódico Nature , uma equipe de cientistas da AWS e Caltech demonstra uma nova arquitetura de chip quântico para suprimir erros usando um tipo de qubit conhecido como cat qubit. Os cat qubits foram propostos pela primeira vez em 2001 e, desde então, pesquisadores os desenvolveram e refinaram. Agora, a equipe da AWS montou o primeiro chip cat qubit escalável que pode ser usado para reduzir erros quânticos de forma eficiente. Chamado de Ocelot , o novo chip de computação quântica recebeu o nome do gato selvagem malhado, ao mesmo tempo em que faz uma referência à tecnologia de "oscilador" interno que fundamenta os cat qubits.

"Para que os computadores quânticos sejam bem-sucedidos, precisamos que as taxas de erro sejam cerca de um bilhão de vezes melhores do que são hoje", diz Oskar Painter (PhD '01), Professor John G Braun de Física Aplicada e Física no Caltech e chefe de hardware quântico na AWS. "As taxas de erro vêm caindo cerca de um fator de dois a cada dois anos. Nesse ritmo, levaria 70 anos para chegarmos onde precisamos estar. Em vez disso, estamos desenvolvendo uma nova arquitetura de chip que pode nos levar lá mais rápido. Dito isso, este é um bloco de construção inicial. Ainda temos muito trabalho a fazer."

Qubits são baseados em 1s e 0s como aqueles em computadores clássicos, mas os 1s e 0s estão em um estado de superposição . Isso significa que eles podem assumir qualquer combinação de 1 e 0 simultaneamente. Isso também significa que eles são frágeis e podem facilmente sair da superposição. "O que torna os qubits poderosos também os torna sensíveis a erros quânticos", diz Painter.

Os sistemas de computadores digitais clássicos têm uma maneira direta de lidar com erros. Basicamente, os projetistas desses sistemas usam bits redundantes adicionais para proteger os dados de erros. Por exemplo, um único bit de informação é replicado em três bits, de modo que qualquer bit tem dois parceiros de backup. Se um desses bits tiver um erro (muda de 1 para 0 ou de 0 para 1), e os outros dois não mudaram, um código simples — neste caso, o que é chamado de código de repetição de três bits — pode ser usado para detectar o erro e restaurar o bit ímpar.

Devido à complexidade da superposição encontrada em qubits, eles podem ter dois tipos de erros: inversões de bits, como nos sistemas digitais clássicos, e inversões de fase, nas quais os estados de qubit de 1 e 0 ficam fora de fase (ou fora de sincronia) um com o outro. Pesquisadores desenvolveram muitas estratégias para lidar com ambos os tipos de erro em sistemas quânticos, mas os métodos exigem que os qubits tenham um número significativo de parceiros de backup. Na verdade, as tecnologias atuais de qubit podem exigir milhares de qubits adicionais para fornecer o nível desejado de proteção contra erros. Isso seria como um jornal empregando um enorme prédio de verificadores de fatos para verificar a precisão de seus artigos em vez de apenas uma pequena equipe. A sobrecarga para computadores quânticos é excessiva e difícil de manejar.

O novo esquema da equipe depende de um tipo de qubit formado a partir de circuitos supercondutores feitos de osciladores de micro-ondas, nos quais os estados 1 e 0 que representam o qubit são definidos como duas amplitudes diferentes de oscilação em larga escala. Isso torna os estados do qubit muito estáveis e imunes a erros de bit-flip. "Você pode pensar nos dois estados oscilantes como sendo o de uma criança em um balanço, que está balançando em altas amplitudes, mas está balançando para a esquerda ou para a direita. Um vento pode surgir e sacudir o balanço, mas a amplitude da oscilação é tão grande que não pode mudar rapidamente de uma direção de balanço para a outra", explica Painter.

Na verdade, o nome qubits "gato" se refere à capacidade desses qubits de assumir dois estados muito grandes, ou macroscópicos, ao mesmo tempo — assim como o famoso gato no experimento mental de Erwin Schrödinger, que pode estar morto e vivo simultaneamente.

Com os qubits de gato tendo erros de inversão de bits drasticamente reduzidos, os únicos erros que faltam corrigir são os erros de inversão de fase. E corrigir apenas um tipo de erro significa que os pesquisadores podem usar um código de repetição como aqueles usados para corrigir erros de inversão de bits em sistemas clássicos.

"Um código clássico como o código de repetição em Ocelot significa que os novos chips não exigirão tantos qubits para corrigir erros", diz Brandão. "Demonstramos uma arquitetura mais escalável que pode reduzir o número de qubits adicionais necessários para correção de erros em até 90 por cento."

O chip Ocelot consegue isso combinando cinco qubits cat, junto com circuitos de buffer especiais para estabilizar sua oscilação, e quatro qubits auxiliares para detectar erros de fase. Os resultados apresentados no artigo da Nature mostram que o código de repetição simples da equipe é eficaz em capturar os erros de inversão de fase e melhora conforme o código aumenta de três qubits cat para cinco qubits cat. Além disso, o processo de detecção de erro de fase foi implementado de uma forma que manteve um alto nível de supressão de erro de inversão de bit nos qubits cat.

Esta demonstração de prova de conceito ainda tem um longo caminho a percorrer, mas Painter diz que está animado com o desempenho que Ocelot demonstrou tão rapidamente e que a equipe está fazendo mais pesquisas para ampliar a tecnologia. "É um problema muito difícil de resolver, e precisaremos continuar a investir em pesquisa básica, enquanto permanecemos conectados e aprendemos com o trabalho importante que está sendo feito na academia", diz ele.

O estudo da Nature intitulado " Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits " foi financiado pela AWS. Além de muitos pesquisadores da AWS, outros autores do Caltech são John Preskill, Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics e Allen VC Davis e Lenabelle Davis Leadership Chair do Institute for Quantum Information and Matter, ou IQIM, e Gil Refael, Taylor W. Lawrence Professor of Theoretical Physics.