Cientistas Simulam o “Impossível”: Código Quântico Tolerante a Falhas Desvendado
Um time multinacional de pesquisadores acaba de superar uma barreira de longa data no desenvolvimento de computadores quânticos confiáveis. Eles inventaram um algoritmo inovador que permite a computadores convencionais mimetizar fielmente um circuito quântico tolerante a falhas, construído sobre o notório e complexo código bosônico GKP. Essa conquista promete um crucial “campo de testes” para o futuro hardware quântico, acelerando o caminho para máquinas que possam realmente resolver problemas complexos além da capacidade dos supercomputadores atuais.
Os computadores quânticos, embora prometam revolucionar áreas como medicina, energia, criptografia, inteligência artificial e logística, ainda enfrentam um grande obstáculo: sua capacidade limitada de corrigir erros computacionais. Ao contrário dos computadores convencionais, que corrigem erros de forma rápida e confiável, os sistemas quânticos são suscetíveis a muito mais erros, que são, além disso, mais difíceis de detectar e corrigir. Consequentemente, os sistemas quânticos atuais ainda não são tolerantes a falhas e, portanto, não são totalmente confiáveis.
Para verificar a precisão de uma computação quântica, os pesquisadores a simulam (ou mimetizam) usando computadores convencionais. Um tipo particularmente importante de computação quântica que se busca simular é justamente aquele que pode suportar perturbações e corrigir erros de forma eficaz. No entanto, a imensa complexidade das computações quânticas torna essas simulações extremamente exigentes – a ponto de, em alguns casos, mesmo o melhor supercomputador convencional do mundo levar a idade do universo para reproduzir o resultado. É nesse cenário desafiador que a nova descoberta se destaca.
Um Salto na Busca por Tecnologias Quânticas Robustas
Pela primeira vez no mundo, pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers (Suécia), da Universidade de Milão (Itália), da Universidade de Granada (Espanha) e da Universidade de Tóquio (Japão) apresentaram um método capaz de simular tipos específicos de computações quânticas corrigidas por erros. Este é um salto significativo na busca por tecnologias quânticas robustas e confiáveis. “Descobrimos uma maneira de simular um tipo específico de computação quântica onde os métodos anteriores não foram eficazes”, afirma Cameron Calcluth, doutor em Física Quântica Aplicada na Chalmers e primeiro autor do estudo publicado na “Physical Review Letters”.
Essa inovação significa que agora é possível simular computações quânticas com um código de correção de erros usado para tolerância a falhas. Tal capacidade é vital para a construção de computadores quânticos mais eficazes e robustos no futuro. A limitação da capacidade dos computadores quânticos de corrigir erros reside em seus blocos de construção fundamentais – os qubits. Embora possuam um potencial computacional imenso, os qubits são extremamente sensíveis. Sua capacidade de cálculo reside no fenômeno da superposição quântica, onde podem simultaneamente assumir os valores 1 e 0, bem como todos os estados intermediários, em qualquer combinação. A capacidade computacional cresce exponencialmente com cada qubit adicional, mas em contrapartida, eles são extremamente suscetíveis a perturbações.
“O menor ruído do ambiente, na forma de vibrações, radiação eletromagnética ou uma mudança de temperatura, pode fazer com que os qubits calculem incorretamente ou até percam seu estado quântico, sua coerência, perdendo assim também sua capacidade de continuar calculando”, explica Calcluth. Para contornar essa fragilidade, são utilizados códigos de correção de erros que distribuem informações por múltiplos subsistemas, permitindo que os erros sejam detectados e corrigidos sem destruir a informação quântica. Um desses métodos é codificar a informação quântica de um qubit nos múltiplos – possivelmente infinitos – níveis de energia de um sistema quântico mecânico vibratório, o que é chamado de código bosônico. Simular computações quânticas com códigos bosônicos, no entanto, é particularmente desafiador devido à complexidade dos múltiplos níveis de energia, e até agora, os pesquisadores não conseguiam simulá-los de forma confiável usando computadores convencionais – até agora.
Nova Ferramenta Matemática: A Chave da Solução
A solução desenvolvida pelos pesquisadores consiste em um algoritmo inovador capaz de simular computações quânticas que utilizam um tipo de código bosônico conhecido como código Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP). Este código é comumente empregado nas principais implementações de computadores quânticos. “A forma como ele armazena informações quânticas facilita a correção de erros pelos computadores quânticos, o que os torna menos sensíveis a ruídos e perturbações”, afirma Giulia Ferrini, Professora Associada de Física Quântica Aplicada na Chalmers e coautora do estudo.
Apesar de sua natureza profundamente quântica, os códigos GKP eram extremamente difíceis de simular usando computadores convencionais. Mas agora, os pesquisadores conseguiram encontrar uma maneira única de fazer isso de forma muito mais eficaz do que com os métodos anteriores. A chave para essa conquista foi a criação de uma nova ferramenta matemática que permitiu o uso do código em seu algoritmo. Graças a essa nova metodologia, os pesquisadores podem agora testar e validar os cálculos de um computador quântico com muito mais confiabilidade.
“Isso abre caminhos inteiramente novos para simular computações quânticas que antes não conseguíamos testar, mas que são cruciais para poder construir computadores quânticos estáveis e escaláveis”, conclui Ferrini. A pesquisa, detalhada no artigo “Classical simulation of circuits with realistic odd-dimensional Gottesman-Kitaev-Preskill states”, publicada na “Physical Review Letters”, representa um avanço fundamental que pode acelerar o desenvolvimento de uma nova geração de computadores capazes de resolver problemas que hoje são considerados impossíveis.
Da redação com informações de Chalmers University of Technology [GM-20250707-2303]