A computação quântica, com sua promessa de resolver problemas complexos enfrentados pelos computadores clássicos, tem sido um tema de intensa pesquisa e desenvolvimento. A Microsoft, um interveniente-chave no campo da computação quântica, está a fazer progressos significativos no sentido de alcançar a computação quântica tolerante a falhas em escala através da sua plataforma Azure Quantum. Este artigo analisa mais de perto esses desenvolvimentos, explicando seu significado e considerando como eles podem moldar o futuro da computação.
Quântica em escala: uma necessidade
Na tentativa de utilizar a computação quântica para resolver alguns dos maiores desafios, como as alterações climáticas e os avanços médicos, os especialistas estimam que precisaríamos de computadores quânticos alimentados por pelo menos um milhão de qubits. Um qubit, abreviação de bit quântico, é a unidade basic de informação na computação quântica. Ao contrário dos bits clássicos que só podem existir em um de dois estados, 0 ou 1, a qualquer momento, os qubits podem existir em uma superposição de estados. Isso significa que um qubit pode estar em um estado que representa 0 e 1 simultaneamente. Além disso, os qubits podem estar emaranhados entre si, onde o estado de um qubit depende do estado de outro qubit. Isso permite que os qubits codifiquem informações complexas e capacidades de processamento paralelo que superam a computação clássica. No entanto, os qubits precisam ser estáveis e controláveis para realizar esses cálculos complexos de forma eficaz.
Alcançar esta escala – desenvolver um computador quântico com um milhão de qubits – é um enorme desafio. Atualmente, gerenciar até mesmo alguns qubits requer tecnologia sofisticada e controle preciso. A expansão para um milhão de qubits multiplica esses desafios em termos de manutenção da estabilidade dos qubits e garantia de operações livres de erros em uma escala tão grande.
O desafio da sensibilidade do Qubit
Um dos principais desafios da computação quântica é a sensibilidade dos qubits aos erros. Mesmo pequenas alterações ambientais podem levar a erros que impactam substancialmente a confiabilidade dos computadores quânticos para usos práticos. Além disso, mesmo pequenos erros podem ter um grande impacto nos processos da computação quântica. Por exemplo, embora uma taxa de fidelidade de 99,9% pareça razoável, o que significa que os erros acontecem apenas uma vez em cada 1.000 operações, é bastante alta para a computação quântica, onde as operações chegam a milhões de qubits para resolver problemas complexos. Isso pode levar a muitos erros que se acumulam, tornando os resultados menos confiáveis.
Para que os computadores quânticos funcionem de forma eficaz e confiável, eles precisam realizar essas operações com extrema precisão durante longos períodos. Este requisito torna-se mais formidável à medida que o sistema se expande para gerir cálculos complexos de forma mais eficaz.
Correção de erros usando Qubits lógicos
Aumentar a robustez contra erros é basic para melhorar a confiabilidade e a escalabilidade da computação quântica. Os pesquisadores estão desenvolvendo ativamente estratégias de detecção e correção de erros nos níveis físico e lógico dos qubits. Embora simplesmente aumentar a fidelidade dos qubits físicos possa não resolver totalmente o problema, o uso de qubits lógicos oferece um caminho promissor a seguir.
Os qubits lógicos funcionam como códigos de repetição na computação clássica, onde as informações são duplicadas em vários bits para proteção contra erros. No entanto, devido ao teorema da não clonagem na física, a replicação direta de qubits não é possível. Em vez disso, a correção quântica de erros espalha o estado de um qubit lógico por vários qubits físicos. Essa redundância permite a detecção e correção de erros em qubits físicos individuais, mantendo a integridade das informações quânticas e reduzindo bastante a taxa de erros. Ao formar um único qubit lógico a partir de vários qubits físicos, este método introduz tolerância a falhas. Mesmo que alguns qubits físicos erram, o estado do qubit lógico permanece intacto, determinado pelos qubits físicos inalterados. Isto aumenta significativamente a estabilidade e a confiabilidade dos computadores quânticos, permitindo-lhes lidar com cálculos mais complexos e demorados. No entanto, isso requer um sistema bem pensado, com {hardware} e software program cuidadosamente projetados para gerenciar erros de forma eficaz.
Avanço na redução de erros da Microsoft e da Quantinuum
Numa colaboração recente, a Microsoft e a Quantinuum abordaram com sucesso o antigo desafio da vulnerabilidade dos qubits a erros. Eles conseguiram isso integrando o sistema de {hardware} da Quantinuum com a virtualização qubit ou sistema qubit lógico da Microsoft, resultando em um sistema integrado e robusto que alcançou uma melhoria impressionante de 800 vezes no tratamento de erros. Essa integração permitiu aos pesquisadores realizar 14 mil instâncias independentes sem encontrar erros. No centro dessa conquista está o sistema de virtualização de qubit da Microsoft, que converte qubits físicos em qubits lógicos e executa correção de erros. Através deste sistema de virtualização, eles conseguiram produzir quatro qubits lógicos estáveis a partir de apenas 30 dos 32 qubits físicos do Quantinuum, apresentando uma taxa de erro de circuito extremamente baixa de 0,00001, indicando um erro a cada 100.000 operações.
A compreensão do impacto deste desenvolvimento torna-se mais aparente quando pensamos em reduzir a taxa de erro em 800 vezes, o que é como melhorar um sinal em 29 dB, semelhante à experiência de usar um fone de ouvido com cancelamento de ruído de alta qualidade. Pense no ruído de fundo de um avião como o ruído ambiente de qubits físicos. Assim como o fone de ouvido cancela o ruído para ouvir melhor a música, o sistema de virtualização qubit ajuda a reduzir erros causados por qubits físicos durante tarefas de computação quântica.
O impacto além da redução de erros
A colaboração entre o {hardware} da Quantinuum e os sistemas de virtualização qubit da Microsoft vai além da simples redução de erros. Ao integrar essas tecnologias, os pesquisadores recebem uma plataforma estável para desenvolver e implementar algoritmos quânticos complexos. Este desenvolvimento poderia encorajar a inovação em áreas como a ciência dos materiais e a criptografia, e melhorar a acessibilidade das tecnologias de computação quântica. À medida que a plataforma continua a amadurecer e a tornar-se mais acessível, poderá alargar o acesso à computação quântica, permitindo que mais cientistas e instituições se envolvam em investigação avançada.
O resultado closing
A busca da Microsoft pela computação quântica tolerante a falhas por meio do Azure Quantum significa um salto transformador nas capacidades computacionais. Embora o foco tenha sido na redução de erros, a integração do {hardware} quântico da Quantinuum com os sistemas de virtualização qubit da Microsoft revela um reino de possibilidades que vai além da mera mitigação de erros. Esse avanço não apenas refina o tratamento de erros; estabelece uma base robusta para explorar algoritmos quânticos complexos. Ao colmatar a lacuna entre o {hardware} e a virtualização, a Microsoft capacita os investigadores a mergulharem em novas fronteiras em domínios científicos como a ciência dos materiais e a criptografia.
