Apesar de sua imensa promessa de resolver novos tipos de problemas, os computadores quânticos de hoje são inerentemente propensos a erros. Uma pequena perturbação no ambiente circundante – uma mudança na temperatura, pressão ou campo magnético, por exemplo – pode interromper seus frágeis blocos de construção computacionais, chamados qubits.

Agora, pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da Universidade de Chicago desenvolveram um novo método para monitorar constantemente o ruído em torno de um sistema quântico e ajustar os qubits , em tempo real, para minimizar erros.

A abordagem, descrita na Science , depende de qubits espectadores: um conjunto de qubits embutidos no computador com o único propósito de medir o ruído externo em vez de armazenar dados. As informações coletadas por tais qubits espectadores podem então ser usadas para cancelar o ruído em qubits de processamento de dados vitais.

Asst. O professor Hannes Bernien, que liderou a pesquisa, compara o novo sistema a fones de ouvido com cancelamento de ruído, que monitoram continuamente os ruídos ao redor e emitem frequências opostas para cancelá-los.

“Com essa abordagem, podemos melhorar de forma muito robusta a qualidade dos qubits de dados”, disse Bernien. “Eu vejo isso como sendo muito importante no contexto da computação quântica e simulação quântica”.

À medida que os computadores quânticos existentes são ampliados, o desafio de ruído e erro aumenta. O problema é duplo: os Qubits mudam facilmente em resposta ao seu ambiente, o que pode alterar as informações armazenadas dentro deles e levar a altas taxas de erro. Além disso, se um cientista medir um qubit, para tentar avaliar o ruído ao qual foi exposto, o estado do qubit entra em colapso, perdendo seus dados.

“É uma tarefa muito assustadora e difícil tentar corrigir os erros dentro de um sistema quântico”, disse Bernien.

Físicos teóricos já haviam proposto uma solução usando qubits espectadores, um conjunto de qubits que não armazenam nenhum dado necessário, mas podem ser incorporados a um computador quântico. Os qubits do espectador rastreariam as mudanças no ambiente, agindo como o microfone contido nos fones de ouvido com cancelamento de ruído. Um microfone, é claro, detecta apenas ondas sonoras , enquanto os qubits espectadores propostos responderiam a quaisquer perturbações ambientais capazes de alterar os qubits.

O grupo de Bernien tentou demonstrar que esse conceito teórico poderia ser usado para cancelar o ruído em uma matriz quântica de átomos neutros – seu computador quântico preferido.

Em um processador quântico de átomo neutro, os átomos são suspensos no lugar usando feixes de laser chamados pinças ópticas , que Bernien ajudou a desenvolver, ganhando elogios como o prêmio New Horizons in Physics de 2023 da Breakthrough Prize Foundation. Em grandes matrizes desses átomos suspensos, cada um atua como um qubit, capaz de armazenar e processar informações em seu estado de superposição.

Em 2022, Bernien e seus colegas relataram pela primeira vez a capacidade de fazer um processador quântico atômico híbrido contendo átomos de rubídio e césio. Agora, eles adaptaram esse processador para que os átomos de rubídio atuem como qubits de dados, enquanto os átomos de césio são qubits espectadores. A equipe projetou um sistema para ler continuamente dados em tempo real dos átomos de rubídio e, em resposta, ajustar os átomos de césio com oscilações de micro-ondas.

O desafio, disse Bernien, era garantir que o sistema fosse rápido o suficiente – quaisquer ajustes nos átomos de rubídio precisavam ser quase instantâneos.

“O que é realmente empolgante nisso é que não apenas minimiza qualquer ruído para os qubits de dados, mas também é um exemplo de interação real com um sistema quântico em tempo real”, disse Bernien.

Para testar sua abordagem de minimização de erros, o grupo de Bernien expôs a matriz quântica ao ruído do campo magnético . Eles mostraram que os átomos de césio captaram corretamente esse ruído e seu sistema o cancelou nos átomos de rubídio em tempo real.

No entanto, o grupo de pesquisa diz que o protótipo inicial é apenas um ponto de partida. Eles gostariam de tentar aumentar a quantidade de ruído e variar os tipos de perturbações e testar se a abordagem se mantém.

"Temos ideias empolgantes sobre como melhorar a sensibilidade desse sistema em grande parte, mas será necessário mais trabalho para implementá-lo", disse Bernien. "Este foi um ótimo ponto de partida."

Eventualmente, Bernien imagina que um sistema de qubits espectadores poderia rodar constantemente no fundo de qualquer computador quântico de átomo neutro e também computadores quânticos de outras arquiteturas, minimizando o erro enquanto o computador armazena dados e faz cálculos.