Desacoplamento Dinâmico: Avanço para Melhorar Desempenho de Computadores Quânticos

Visão Geral

• Pesquisadores projetam um método teórico para melhorar o desempenho da computação quântica.
• O método é conhecido como Desacoplamento Dinâmico (DD) e funcionou em 2 computadores quânticos de pequena escala.
• Não requer sobrecarga de codificação e funciona transformando portas quânticas em pulsos de desacoplamento.

O conceito de computação quântica foi introduzido no início dos anos 1980. A ideia é usar bits quânticos (qubits que podem estar em superposição de estados) em vez de bits binários para realizar cálculos de forma segura e em velocidade extremamente rápida.

Três décadas depois, o campo da computação quântica ainda está em sua infância. Embora centenas de testes tenham sido conduzidos nos quais computações quânticas foram executadas em um pequeno número de qubits.

Computadores quânticos são esperados para ser vários milhões de vezes mais rápidos que os supercomputadores atuais, e têm o potencial de revolucionar finanças, defesa, tecnologia da informação e indústria médica. Utilizam o comportamento de átomos para realizar tarefas incrivelmente complexas em velocidades extremamente rápidas.

Eles, no entanto, têm algumas limitações. São altamente propensos a erros e requerem estabilidade para sustentar operações. Geralmente, não funcionam corretamente e produzem resultados ruins. Pesquisadores ao redor do mundo ainda não conseguiram alcançar uma máquina quântica que supere um computador tradicional em qualquer tarefa.

O principal problema com os computadores quânticos atuais é o 'ruído' – perturbação causada por vibração, temperatura e som. Gera decoerência, que pode tornar os qubits instáveis ao interromper a duração de um estado quântico. Isso diminui o tempo que uma máquina quântica pode realizar uma tarefa com precisão (sem erros).

Uma máquina quântica com muita decoerência não tem utilidade. Se você resolver este problema, pode chegar ao ponto onde a computação quântica se torna prática e mais produtiva que computadores convencionais.

Recentemente, pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia revelaram um método teórico para melhorar o desempenho da computação quântica. Ele aborda uma fraqueza dos computadores quânticos atuais minimizando cálculos defeituosos enquanto aumenta a fidelidade dos resultados. O método é conhecido como Desacoplamento Dinâmico (DD) e funcionou em 2 computadores quânticos.

DD é desenvolvido para suprimir decoerência através da aplicação de pulsos aplicados ao sistema, que cancelam a interação entre sistema e ambiente a uma dada ordem na teoria de perturbação dependente do tempo. No geral, não requer sobrecarga de codificação e funciona transformando portas quânticas em pulsos de desacoplamento.

Referência: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

As sequências de tempo para estes testes foram muito pequenas: 200 pulsos foram registrados dentro de 0,6 microssegundos.

Aplicando Desacoplamento Dinâmico nas Máquinas Quânticas Atuais

Pesquisadores testaram DD em 2 computadores quânticos — o QX5 de 16 qubits da IBM e o Acorn de 19 qubits da Rigetti — e descobriram que é mais fácil e confiável que outros métodos. É adequado para implementação em computadores quânticos baseados em nuvem de pequena escala existentes.

O método pode proteger estados de dois qubits entrelaçados até certo ponto. Diferentes sequências de desacoplamento dinâmico podem mitigar tanto erros de desfasamento quanto de emissão espontânea. Ao contrário de estudos anteriores, não usaram código de correção de erro quântico e assim alcançaram melhorias excepcionais na fidelidade contra decoerência natural.

A fidelidade final para o QX5 da IBM saltou de 28,9% para 88,4%, enquanto para o Acorn da Rigetti, melhorou de 59,8% para 77,1%. Os pesquisadores também descobriram que mais pulsos sempre permitem melhorias de fidelidade sustentarem por duração mais longa no computador quântico Rigetti, enquanto para o computador IBM, havia um limite de aproximadamente 100 pulsos.

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No geral, o estudo mostra que o mecanismo de desacoplamento dinâmico funciona muito melhor que as técnicas existentes de correção de erro quântico.