Qubit de luz vem com correção de erros integrada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/02/2024

Com três estados é possível checar a ocorrência de um erro no dado contido no qubit.
[Imagem: Peter van Loock]

Qubit de luz

Pesquisadores fizeram um progresso notável em um dos maiores desafios para tornar prática a computação quântica, e ainda fizeram isto usando a plataforma com maior potencial de velocidade em qualquer tipo de computador.

O grande desafio para a computação quântica está no controle de erros: As propriedades quânticas que permitem que esses computadores funcionem são extremamente frágeis. Com isto, os qubits perdem os dados tão facilmente que os erros se tornam tão frequentes que acabam drenando a tão esperada supremacia quântica.

Shunya Konnoo e seus colegas das universidades de Mainz (Alemanha), Olomuc (República Tcheca) e Tóquio (Japão) conseguiram agora construir um qubit dotado de um sistema "automático" de autocorreção.

E, ainda mais interessante, eles fizeram isto usando fótons como qubits, e as partículas de luz são mais rápidas do que qualquer outra coisa, seja no mundo da computação ou fora dele - se os computadores quânticos são "futurísticos", os computadores quânticos fotônicos então seriam "ultrafuturísticos", quase visionários, embora o trabalho com eles esteja em pleno andamento.

Em vez de usar um único fóton como qubit, a equipe empregou um pulso de laser constituído por vários fótons. "Nosso pulso de laser foi convertido para um estado óptico quântico que nos dá uma capacidade inerente de corrigir erros," afirmou o professor Peter van Loock, da Universidade de Mainz.

Têm sido propostas várias arquiteturas de computação quântica com menor incidência de erros, mas os qubits fotônicos têm muitas vantagens.
[Imagem: Riken Center for Quantum Computing]

Qubit de luz à prova de erros

As grandes empresas que estão liderando a corrida pela computação quântica tipicamente usam qubits supercondutores, que são sistemas de estado sólido, mas eles têm a desvantagem de somente funcionar a temperaturas perto do zero absoluto, o que os torna caros e difíceis de ampliar.

Os computadores quânticos fotônicos, por outro lado, funcionam a temperatura ambiente. Os qubits geralmente são fótons únicos, que operam na velocidade última do universo, mas também perdem os dados mais facilmente do que os qubits de estado sólido. Hoje, para evitar perdas de qubits e outros erros, é necessário acoplar vários pulsos de luz de fóton único para construir um qubit lógico - como também se faz no caso dos qubits supercondutores.

O problema da abordagem dos qubits lógicos é que basta que um dos fótons saia do entrelaçamento quântico para que o dado do qubit se perca. Foi este problema que a equipe conseguiu resolver.

A computação quântica sem erros também já foi demonstrada com qubits iônicos.
[Imagem: Matthias Brandl/University of Innsbruck]

Correção de erro universal

Gravar uma informação em um fóton equivale a criar um "estado de gato de Schrodinger" fotônico. Em outras palavras, a superposição quântica dos estados de amplitude do pulso de laser podem ser distinguidos em escala macroscópica, o que equivaleria a um gato vivo ou morto, ou branco ou preto - em termos computacionais, a um 0 ou 1 lógicos.

O que a equipe descobriu agora é que é viável estender esse sistema para três estados, algo como gato branco, cinzento ou preto. Este estado de luz se aproxima assim de um estado quântico lógico no qual os erros podem, em princípio, ser corrigidos universalmente. O terceiro fóton funciona como o conhecido bit de paridade, usado desde os primórdios da computação e das telecomunicações, uma espécie de verificação cíclica de redundância (CRC) de um bit.

"Precisamos apenas de um único pulso de luz para obter um qubit lógico robusto," disse van Loock. Em outras palavras, um qubit físico já é equivalente a um qubit lógico neste sistema - um conceito inovador.

Embora o qubit lógico produzido experimentalmente na Universidade de Tóquio ainda não tenha qualidade suficiente para fornecer o nível necessário de tolerância a erros, os pesquisadores demonstraram claramente que é possível transformar qubits não universalmente corrigíveis em qubits corrigíveis usando métodos ópticos quânticos já disponíveis, mas que eles não usaram em sua demonstração.

"Embora o sistema consista apenas em um pulso de laser e seja, portanto, muito pequeno, ele pode - em princípio - erradicar erros imediatamente," concluiu van Loock.

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