Nos computadores modernos, erros durante o processamento e armazenamento de informações tornaram-se uma raridade devido a  fabricação de alta qualidade. No entanto, para aplicações cra­ticas, onde mesmo erros isolados podem ter efeitos graves, ainda são utilizados mecanismos de correção de erros baseados na redunda¢ncia dos dados processados.

Os computadores qua¢nticos são inerentemente muito mais suscetíveis a distúrbios e, portanto, provavelmente sempre exigira£o mecanismos de correção de erros, porque, caso contra¡rio, os erros se propagara£o descontroladamente no sistema e as informações sera£o perdidas. Como as leis fundamentais da meca¢nica qua¢ntica proa­bem a ca³pia de informações qua¢nticas, a redunda¢ncia pode ser alcana§ada distribuindo informações qua¢nticas lógicas em um estado emaranhado de vários sistemas fa­sicos, por exemplo, vários a¡tomos individuais .

A equipe liderada por Thomas Monz do Departamento de Fa­sica Experimental da Universidade de Innsbruck e Markus Ma¼ller da RWTH Aachen University e Forschungszentrum Ja¼lich na Alemanha conseguiu agora pela primeira vez realizar um conjunto de operações computacionais em dois bits qua¢nticos la³gicos que podem ser usado para implementar qualquer operação possí­vel. "Para um computador qua¢ntico do mundo real , precisamos de um conjunto universal de portas com as quais podemos programar todos os algoritmos", explica Lukas Postler, fa­sico experimental de Innsbruck.

Operação qua¢ntica fundamental realizada

A equipe de pesquisadores implementou esse portão universal em um computador qua¢ntico de armadilha de a­ons com 16 a¡tomos presos. A informação qua¢ntica foi armazenada em dois bits qua¢nticos la³gicos, cada um distribua­do em sete a¡tomos.

Agora, pela primeira vez, foi possí­vel implementar duas portas computacionais nesses bits qua¢nticos tolerantes a falhas, que são necessa¡rias para um conjunto universal de portas: uma operação computacional em dois bits qua¢nticos (uma porta CNOT) e uma porta lógica T gate, que éparticularmente difa­cil de implementar em bits qua¢nticos tolerantes a falhas.

"As portas T são operações muito fundamentais", explica o fa­sico tea³rico Markus Ma¼ller. "Eles são particularmente interessantes porque algoritmos qua¢nticos sem portas T podem ser simulados com relativa facilidade em computadores cla¡ssicos, negando qualquer possí­vel aceleração. Isso não émais possí­vel para algoritmos com portas T." Os fa­sicos demonstraram o T-gate preparando um estado especial em um bit qua¢ntico la³gico e teletransportando-o para outro bit qua¢ntico por meio de uma operação de portão emaranhado.

Em bits qua¢nticos la³gicos codificados, as informações qua¢nticas armazenadas são protegidas contra erros. Mas isso éinútil sem operações computacionais e essas operações são propensas a erros.

Os pesquisadores implementaram operações nos qubits la³gicos de forma que os erros causados ​​pelas operações físicas subjacentes também possam ser detectados e corrigidos. Assim, eles implementaram a primeira implementação tolerante a falhas de um conjunto universal de portas em bits qua¢nticos la³gicos codificados.

“A implementação tolerante a falhas requer mais operações do que operações não tolerantes a falhas. Thomas Monz tem o prazer de informar. "O esfora§o e a complexidade aumentam, mas a qualidade resultante émelhor." Os pesquisadores também verificaram e confirmaram seus resultados experimentais usando simulações numanãricas em computadores cla¡ssicos.

Os fa­sicos já demonstraram todos os blocos de construção para a computação tolerante a falhas em um computador qua¢ntico. A tarefa agora éimplementar esses manãtodos em computadores qua¢nticos maiores e, portanto, mais aºteis. Os manãtodos demonstrados em Innsbruck em um computador qua¢ntico de armadilha de a­ons também podem ser usados ​​em outras arquiteturas para computadores qua¢nticos.

A pesquisa foi publicada na Nature .