Computadores quânticos podem chegar mais cedo à medida que cientistas superam a exigência de chips perfeitos
Pesquisadores da UC mostram que sistemas quânticos modulares são confiáveis
Uma nova pesquisa da Universidade da Califórnia, em Riverside, marca uma mudança importante no design de hardware quântico. Em vez de esperar por chips e conexões quânticas perfeitas, os pesquisadores agora têm evidências de que a tecnologia atual pode ser integrada imediatamente em sistemas maiores e tolerantes a falhas. Isso pode acelerar o cronograma para o desenvolvimento de computadores quânticos capazes de resolver problemas complexos do mundo real em grande escala.
Os pesquisadores demonstraram que computadores quânticos podem ser construídos a partir de chips menores interconectados, e que esses sistemas ainda funcionam de forma confiável, mesmo que as conexões e o hardware não sejam perfeitos. As descobertas estabelecem as bases para a montagem de grandes sistemas quânticos a partir de unidades menores e destacam um avanço crucial para tornar os computadores quânticos tolerantes a falhas mais práticos.
Computadores quânticos, que já começaram a influenciar pesquisas em áreas como química e criptografia, ainda permanecem limitados em sua capacidade de realizar cálculos em larga escala. A principal limitação está no tamanho e na confiabilidade do próprio hardware quântico. Tradicionalmente, o progresso na área tem sido medido pelo número bruto de qubits – o equivalente quântico dos bits clássicos –, mas sem tolerância a falhas, esses qubits adicionais não garantem resultados utilizáveis. A tolerância a falhas é a propriedade crítica que permite a um sistema detectar e corrigir erros automaticamente, algo necessário devido à natureza inerentemente suscetível a falhas dos componentes quânticos.
Essa nova pesquisa aborda o problema da escalabilidade simulando arquiteturas quânticas realistas compostas por muitos chips menores, cada um projetado para funcionar como parte de um todo unificado. Liderada por Mohamed A. Shalby, doutorando no Departamento de Física e Astronomia da UC Riverside, a equipe usou milhares de simulações para testar seis diferentes designs modulares. Seus modelos incorporaram parâmetros práticos, inspirando-se na infraestrutura quântica já existente do Google e utilizando ferramentas de simulação desenvolvidas pelo Google Quantum AI.
Um grande obstáculo técnico em computadores quânticos modulares tem sido o ruído nas conexões entre os chips – uma preocupação particularmente relevante quando eles precisam se comunicar entre diferentes refrigeradores criogênicos. Esses links geralmente introduzem muito mais erros do que as operações realizadas dentro de um único chip, ameaçando a eficácia das técnicas de correção de erros e a confiabilidade geral do sistema quântico.
No entanto, a equipe liderada pela UC Riverside descobriu que, mesmo quando as conexões entre chips são até dez vezes mais ruidosas do que os próprios chips individuais, um sistema quântico ainda pode realizar correção de erros de forma eficaz, desde que cada chip mantenha alta fidelidade operacional. Isso efetivamente reduz os requisitos de hardware para montar sistemas escaláveis, sugerindo que os computadores quânticos não precisam esperar por uma engenharia perfeita antes de expandirem suas capacidades.
Grande parte da modelagem se concentrou no surface code, a técnica de correção de erros mais utilizada atualmente em pesquisas quânticas. Nesse método, os “chips de surface code” organizam qubits físicos em agrupamentos lógicos, utilizando redundância para se proteger contra os erros que as operações quânticas naturalmente acumulam. O estudo mostrou que, usando a arquitetura de surface code, sistemas modulares podem codificar qubits lógicos de alta fidelidade de forma robusta, mesmo com links imperfeitos entre os módulos.