Os cientistas usaram uma nova estratégia de correção de erros para codificar 70 qubits lógicos e resolver um problema classicamente considerado difícil.
O cálculo quântico foi concluído em cerca de 15 minutos, enquanto os principais métodos de computação clássicos exigiriam uma quantidade de tempo impraticável para realizar a mesma tarefa.
Pesquisadores da IBM e da Universidade de Chicago anunciaram uma demonstração de computação quântica que atende aos principais critérios para vantagem quântica. O experimento realizou um cálculo além do alcance prático das principais técnicas clássicas de simulação, ao mesmo tempo que forneceu evidências de que um computador quântico deu um resultado confiável.
Em um novo artigo, “Sampling Hard Circuits with Verifiably High Fidelity”, os pesquisadores descrevem como alcançaram ambos os objetivos usando uma forma recém-projetada de circuitos quânticos codificados. Este trabalho representa uma das maiores demonstrações de computação quântica lógica relatada até hoje.
O circuito e os resultados experimentais também foram disponibilizados publicamente Rastreador de vantagem quântica.
Por que os resultados quânticos são tão difíceis de verificar?
Os pesquisadores há muito usam um benchmark chamado amostragem de circuito aleatório (RCS) para descobrir se os computadores quânticos podem superar as máquinas tradicionais.
Em termos simples, o RCS desafia um computador quântico a gerar padrões que se tornam tão complexos que um computador clássico não consegue reproduzi-los de forma eficiente. Isto torna o benchmark útil para testar os limites da simulação clássica.
Mas isso também cria um grande problema. Uma vez que se torna muito difícil para um computador clássico reproduzir um cálculo quântico, torna-se ainda mais difícil verificar se a máquina quântica realmente produziu o resultado correto. Em última análise, pode ser impossível verificar a resposta em si, a menos que os investigadores façam suposições fortes sobre como um computador quântico se comporta internamente.
A equipe da IBM e da Universidade de Chicago resolveu esse problema de verificação desenvolvendo uma alternativa mais estruturada ao RCS.
Os pesquisadores mostraram que seu método preserva os mesmos critérios de dureza computacional associados ao RCS, o que significa que o problema permanece extremamente difícil para computadores clássicos. Além disso, a estrutura adicional permite detectar erros durante os cálculos quânticos.
“A verificação é um dos maiores desafios para estabelecer com firmeza a vantagem quântica experimental”, disse Bill Fefferman, professor associado da Universidade de Chicago. “Este experimento desenvolve técnicas para caracterizar melhor a fidelidade de estados quânticos difíceis sob ruído, aumentando a confiança de que um computador quântico está resolvendo um problema computacionalmente difícil”.
“Além de fortalecer a verificação experimental, os avanços na verificação têm o potencial de desbloquear aplicações práticas para a próxima geração de computadores quânticos”, disse Soumik Ghosh, estudante de doutorado do grupo Fefferman da Universidade de Chicago.
70 qubits lógicos com baixa taxa de erro
O experimento também incluiu uma das maiores demonstrações conhecidas de correção quântica de erros no mundo.
Os pesquisadores operaram com 70 qubits lógicos. Ao contrário dos qubits físicos individuais, os qubits lógicos são codificados de uma forma que ajuda a proteger as informações quânticas contra erros e ruídos.
Usando esses qubits lógicos, a equipe executou 2.415 operações lógicas de dois qubits e 468 “portas T” lógicas, duas medidas que refletem a complexidade dos circuitos quânticos.
O design codificado melhorou muito a confiabilidade. A taxa de erro lógico efetiva foi 10 vezes menor do que a taxa de erro físico subjacente, permitindo que o circuito mantivesse uma fidelidade excepcionalmente alta, mesmo ao realizar um grande número de operações quânticas.
IBM diz que vantagem quântica entrou em uma nova fase
“Estamos agora firmemente na era da vantagem quântica”, disse Jay Gambetta, diretor de pesquisa da IBM e membro da IBM. “Demonstramos uma computação quântica além do alcance prático dos computadores clássicos, estabelecendo, com confiança estatística, o quão fielmente ela foi executada. Este marco dá aos cientistas, desenvolvedores e empresas uma nova base para confiar nos computadores quânticos, pois eles resolvem muito mais problemas do que podemos alcançar classicamente.”
Os pesquisadores descobriram que muitos dos principais métodos de simulação clássicos encontrariam tempos de execução proibitivos ao tentarem a mesma tarefa.
Em comparação, o computador quântico da IBM concluiu o cálculo em cerca de 15 minutos.
Um passo em direção a computadores quânticos maiores e mais confiáveis
A velocidade por si só não é suficiente para tornar a computação quântica útil em larga escala. Os pesquisadores também precisam de formas de suprimir erros e estabelecer a confiança de que o sistema quântico produziu um resultado válido.
Este experimento busca ambos os objetivos simultaneamente, combinando a computação quântica lógica em grande escala com um método para avaliar a confiabilidade de um cálculo que já está além das simulações clássicas práticas.
A correção de erros e a verificação confiável são consideradas essenciais para o avanço dos computadores quânticos em direção a problemas mais difíceis, tornando a nova demonstração um passo importante em direção a esse objetivo.
