Um computador quântico prático deverá eventualmente ser capaz de lidar com qualquer tipo de algoritmo quântico, assim como um laptop tradicional pode executar muitos tipos diferentes de software. Os pesquisadores demonstraram agora uma nova maneira de atingir esse nível de flexibilidade usando objetos quânticos incomuns conhecidos como ânions não-Abelianos.
Cientistas da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME), Harvard, Stony Brook University e Quantumum criaram e testaram um conjunto completo de operações baseadas em operações não-Abelianas. Seus resultados fornecem a primeira demonstração experimental de que esta abordagem pode suportar a ampla gama de operações necessárias para a computação quântica universal.
“Demonstramos o chamado conjunto de portas universais – o que significa que se você armazenar informações nessas versões emergentes de quarks e movê-las, poderá fazer qualquer cálculo quântico que desejar”, disse Ruben Verresen, professor assistente de engenharia molecular na UChicago PME e coautor do novo estudo publicado em. Natureza.
Um possível atalho para a dispendiosa correção de erros quânticos
Esta estratégia poderia fazer mais do que apenas ajudar a construir um computador quântico de uso geral. Também poderia fornecer um caminho mais eficiente para máquinas quânticas confiáveis.
Os computadores quânticos são extremamente sensíveis a erros, por isso os pesquisadores normalmente protegem as informações distribuindo-as por muitos qubits físicos. Esses métodos de correção de erros podem preservar dados, mas normalmente não fornecem todas as operações necessárias para realizar a computação quântica universal nessas informações preservadas.
Para preencher essa lacuna, os engenheiros geralmente contam com recursos especialmente preparados, chamados de “estados mágicos”. Sua produção normalmente requer um processo intensivo de purificação conhecido como destilação, que pode consumir uma grande parte dos qubits disponíveis em um computador quântico. Os novos resultados sugerem que uma abordagem não abeliana pode sugerir uma forma de evitar essa etapa dispendiosa.
“Os códigos não-Abelianos são um azarão na corrida pela correção de erros quânticos”, disse Heinrich Dreyer, diretor administrativo e líder científico do escritório da Quantumum em Munique e coautor do estudo. “Neste trabalho mostramos a primeira porta universal definida em um código não abeliano, demonstrando que cálculos tolerantes a falhas podem, em princípio, ser realizados sem recorrer à destilação de estado mágico ou agricultura, que são as operações mais caras em códigos quânticos padrão de correção de erros.”
Por que os não-abelianos são diferentes?
Qubits comuns codificam informações usando dois estados fundamentais junto com combinações quânticas desses estados. Os não-Abelianos funcionam de maneira fundamentalmente diferente.
Estas não aparecem como partículas autônomas normais na natureza. Em vez disso, os cientistas criam circuitos quânticos emaranhando muitos qubits convencionais num estado coletivo que se comporta como se fosse um novo tipo de partícula com as suas próprias regras incomuns.
“A maneira como penso sobre esses códigos é que eles estão criando pequenos universos – universos alternativos, mas que refletem algumas das nossas próprias propriedades”, disse Veresen.
Cada indivíduo não-abeliano tem um estado interno que muda quando um indivíduo é movido em torno de outro em um processo denominado trança. A ordem dessas operações de trança é importante (é isso que não-abeliano significa), permitindo que a informação seja codificada e manipulada de maneiras que não estão disponíveis para partículas comuns.
Como as informações são espalhadas por vários qubits emaranhados, em vez de armazenadas em um único local, elas também podem ser naturalmente protegidas de algumas das pequenas perturbações que frequentemente perturbam os qubits convencionais. As operações computacionais também podem ser realizadas trançando uma.
Por que apenas trançar não foi suficiente?
Em 2024, uma equipe de pesquisa que incluía Veresen usou um computador quântico de íons aprisionados para criar anyons associados a um grupo de simetria chamado D4 – rotações e reflexões que deixam um quadrado inalterado – demonstrando pela primeira vez esta forma de ordem não abeliana em hardware quântico.
Esse experimento mostrou que partículas incomuns poderiam ser criadas e manipuladas, mas entrelaçá-las por si só não era suficiente para realizar todas as operações necessárias para a computação quântica universal.
“Nesse trabalho, não demonstramos que essas forças emergentes eram suficientes para realizar a computação quântica”, disse Vereesen. “O universo especial que criamos não era poderoso o suficiente.”
Fusion desbloqueia operações quânticas universais
Para o novo estudo, os pesquisadores mudaram para outra simetria chamada S3 – rotações e inversões de imagem espelhada que deixam um triângulo equilátero inalterado – e criaram o ânion correspondente no processador de íons aprisionados H2 da Quantum usando 54 qubits emaranhados.
O sistema S3 tinha as propriedades necessárias para a computação quântica universal, mas apenas quando a trança era combinada com outra operação chamada fusão. Durante a fusão, duas pessoas são reunidas e a condição resultante é medida.
O conceito subjacente foi proposto teoricamente em 2003 por Carlos Mochon, aluno de John Preskill na Caltech. No entanto, transformar essa ideia teórica em um experimento que possa realmente ser executado em hardware quântico requer um extenso trabalho teórico e experimental adicional.
Os pesquisadores usaram pares de qubits aleatórios para codificar “qubits topológicos”, que armazenam três níveis possíveis de informação quântica em vez dos dois níveis usados pelos qubits normais.
Ao combinar diferentes operações de trançado e fusão, a equipe demonstrou três dispositivos principais: uma porta de emaranhamento criada por meio de trançado e duas medidas diferentes criadas por meio de fusão. Juntas, essas operações podem, teoricamente, produzir qualquer operação quântica, incluindo operações que não podem ser alcançadas apenas pela trança.
Além de suas potenciais aplicações computacionais, esses estados quânticos incomuns também poderiam ajudar os pesquisadores a investigar aspectos fundamentais da física.
Anasuya Lyons e Chiu Fan Bowen Lo, estudantes de pós-graduação da Universidade de Harvard no grupo de Ashwin Vishwanath que ajudaram a liderar o trabalho, disseram: “É gratificante ver que as ideias nas quais baseamos nosso trabalho de doutorado foram realizadas em laboratório, e isso foi possível devido aos notáveis avanços em hardware quântico nos últimos anos.”
Rumo a computadores quânticos tolerantes a falhas
Os pesquisadores também demonstraram que é possível gerar diretamente um estado mágico usando operações topológicas não abelianas – contornando o caro processo de destilação usado na maioria dos sistemas quânticos.
O experimento ainda não incluiu correção de erros ativa. Em vez disso, os pesquisadores se concentraram em testar os blocos de construção individuais do método e em confirmar que eles poderiam criar um estado mágico consistente com as expectativas teóricas.
“Até agora, ignoramos a questão da correção de erros. Aqui, é como uma prova de princípio”, disse Vereesen.
O próximo passo importante será combinar essas operações com correção ativa de erros. Se isso puder ser alcançado, os não-Abelianos poderão eventualmente se tornar uma base prática para computadores quânticos tolerantes a falhas e em grande escala. Veresen já está trabalhando com outros pesquisadores do PME em novas técnicas para estabilizar memórias quânticas não-Abelianas.
