Pesquisadores do Google afirmam ter feito um avanço na correção de erros quânticos, o que pode preparar o terreno para computadores quânticos que finalmente cumpram as promessas dessa tecnologia.
Defensores dos computadores quânticos dizem que essas máquinas poderão beneficiar a descoberta científica em áreas que vão desde a física de partículas até o design de medicamentos e materiais — se seus construtores conseguirem fazer o hardware funcionar como esperado.
Um dos principais desafios tem sido que os computadores quânticos podem armazenar ou manipular informações incorretamente, impedindo que executem algoritmos longos o suficiente para serem úteis. A nova pesquisa do Google Quantum AI e seus colaboradores acadêmicos demonstra que eles podem, de fato, adicionar componentes para reduzir esses erros. Anteriormente, devido a limitações de engenharia, adicionar mais componentes ao computador quântico tendia a introduzir mais erros. No final, o trabalho fortalece a ideia de que a correção de erros é uma estratégia viável para construir um computador quântico útil. Alguns críticos duvidavam que fosse uma abordagem eficaz, de acordo com o físico Kenneth Brown, da Universidade Duke, que não esteve envolvido na pesquisa.
“Essas técnicas de correção de erros realmente funcionam, e acho que só vão melhorar”, escreveu Michael Newman, membro da equipe do Google, no X. (O Google, que postou a pesquisa no servidor de pré-publicações arXiv em agosto, recusou-se a comentar oficialmente para esta história).
Computadores quânticos codificam dados usando objetos que se comportam de acordo com os princípios da mecânica quântica. Em particular, eles armazenam informações não apenas como 1s e 0s, como um computador convencional faz, mas também em “superposições” de 1 e 0. Armazenar informações na forma de superposições e manipular seu valor usando interações quânticas, como o emaranhamento (uma maneira de partículas se conectarem mesmo a longas distâncias), permite tipos inteiramente novos de algoritmos.
Na prática, no entanto, os desenvolvedores de computadores quânticos descobriram que os erros surgem rapidamente porque os componentes são extremamente sensíveis. Um computador quântico representa 1, 0 ou uma superposição colocando um de seus componentes em um estado físico particular, e é muito fácil alterar esses estados acidentalmente. Um componente, então, acaba em um estado físico que não corresponde à informação que deveria representar. Esses erros se acumulam ao longo do tempo, o que significa que o computador quântico não pode fornecer respostas precisas para algoritmos longos sem correção de erros.
Para realizar a correção de erros, os pesquisadores precisam codificar as informações no computador quântico de uma maneira distinta. Os computadores quânticos são compostos por componentes individuais conhecidos como qubits físicos, que podem ser feitos de uma variedade de materiais, como átomos únicos ou íons. No caso do Google, cada qubit físico consiste em um minúsculo circuito supercondutor que deve ser mantido a uma temperatura extremamente baixa.
Os primeiros experimentos em computadores quânticos armazenavam cada unidade de informação em um único qubit físico. Agora, pesquisadores, incluindo a equipe do Google, começaram a experimentar a codificação de cada unidade de informação em múltiplos qubits físicos. Eles se referem a essa constelação de qubits físicos como um único qubit “lógico”, que pode representar 1, 0 ou uma superposição dos dois. Por design, o qubit “lógico” único pode manter uma unidade de informação de forma mais robusta do que um qubit “físico” individual. A equipe do Google corrige os erros no qubit lógico usando um algoritmo conhecido como código de superfície, que utiliza os qubits físicos que compõem o qubit lógico.
No novo trabalho, o Google criou um único qubit lógico a partir de diferentes números de qubits físicos. Crucialmente, os pesquisadores demonstraram que um qubit lógico composto por 105 qubits físicos reduziu erros de forma mais eficaz do que um qubit lógico composto por 72 qubits. Isso sugere que reunir um número crescente de qubits físicos em um qubit lógico “pode realmente suprimir os erros”, diz Brown. Isso traça um caminho potencial para construir um computador quântico com uma taxa de erro baixa o suficiente para executar um algoritmo útil, embora os pesquisadores ainda precisem demonstrar que podem unir múltiplos qubits lógicos e expandir para uma máquina maior.
Os pesquisadores também relatam que a vida útil do qubit lógico supera a vida útil de seu melhor qubit físico constituinte por um fator de 2,4. Em outras palavras, o trabalho do Google demonstra essencialmente que ele pode armazenar dados em uma “memória” quântica confiável.
No entanto, esta demonstração é apenas um primeiro passo em direção a um computador quântico com correção de erros, diz Jay Gambetta, vice-presidente da iniciativa quântica da IBM. Ele aponta que, enquanto o Google demonstrou uma memória quântica mais robusta, ainda não realizou nenhuma operação lógica nas informações armazenadas nessa memória.
“No fim das contas, o que importa é: Qual o tamanho do circuito quântico que você consegue rodar?” ele diz. (Um “circuito quântico” é uma série de operações lógicas executadas em um computador quântico.) “E você tem um caminho para mostrar como vai rodar circuitos quânticos cada vez maiores?”
A IBM, cujos computadores quânticos também são compostos por qubits feitos de circuitos supercondutores, está adotando uma abordagem de correção de erros diferente do método de código de superfície do Google. Ela acredita que esse método, conhecido como código de verificação de paridade de baixa densidade, será mais fácil de escalar, com cada qubit lógico exigindo menos qubits físicos para alcançar taxas de supressão de erro comparáveis. Até 2026, a IBM pretende demonstrar que pode criar 12 qubits lógicos a partir de 244 qubits físicos, diz Gambetta.
Outros pesquisadores também estão explorando outras abordagens promissoras. Em vez de circuitos supercondutores, uma equipe afiliada à empresa de computação quântica QuEra, com sede em Boston, usa átomos neutros como qubits físicos. No início deste ano, eles publicaram na Nature um estudo mostrando que haviam executado algoritmos usando até 48 qubits lógicos feitos de átomos de rubídio.
Gambetta alerta os pesquisadores para serem pacientes e não exagerarem no progresso. “Eu só não quero que o campo pense que a correção de erros está concluída”, diz ele. O desenvolvimento de hardware leva muito tempo porque o ciclo de design, construção e solução de problemas é demorado, especialmente em comparação com o desenvolvimento de software. “Não acho que isso seja exclusivo da computação quântica”, ele diz.
Para executar algoritmos com utilidade prática garantida, um computador quântico precisa realizar cerca de um bilhão de operações lógicas, diz Brown. “E ninguém está perto de um bilhão de operações ainda”, afirma. Outro marco seria criar um computador quântico com 100 qubits lógicos, o que a QuEra definiu como meta para 2026. Um computador quântico desse tamanho seria capaz de simulações além do alcance dos computadores clássicos. Os cientistas do Google criaram um único qubit lógico de alta qualidade — mas o próximo passo é mostrar que eles podem realmente fazer algo com ele.
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Sophia Chen
