Tecnologia Científica
Estudo observa transição de fase na magia de um sistema quântico com circuitos aleatórios
No contexto da mecânica quântica e da informação, 'mágica' é uma propriedade-chave dos estados quânticos que descreve a extensão em que eles se desviam dos chamados estados estabilizadores. Estados estabilizadores são uma classe de estados...
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Ingrid Fadelli - 28/10/2024
Imagem de um computador quântico de íons presos no qual o experimento foi conduzido. Crédito: IonQ
No contexto da mecânica quântica e da informação, "mágica" é uma propriedade-chave dos estados quânticos que descreve a extensão em que eles se desviam dos chamados estados estabilizadores. Estados estabilizadores são uma classe de estados que podem ser simulados efetivamente em computadores clássicos.
A mágica em estados quânticos é crucial para a realização da computação quântica universal e tolerante a falhas por meio de operações de gate simples. Obter insights sobre os mecanismos por trás dessa propriedade pode ajudar os engenheiros a criá-la e alavancá-la efetivamente, permitindo assim potencialmente o desenvolvimento de computadores quânticos de melhor desempenho.
Pesquisadores da Universidade de Maryland e do NIST, da IonQ Inc. e do Duke Quantum Center mostraram recentemente que um código estabilizador aleatório (ou seja, um código projetado para proteger informações quânticas de erros) apresenta um comportamento muito diferente em relação à mágica quando exposto a erros coerentes.
Suas observações, descritas em um artigo publicado na Nature Physics, podem ampliar a compreensão de como os estados mágicos se originam, o que pode facilitar a geração desses estados em sistemas de computação quântica.
"Embora superposição e emaranhamento sejam os termos que as pessoas mais frequentemente associam aos computadores quânticos, eles não são suficientes para torná-los mais poderosos do que os computadores clássicos", disse Pradeep Niroula, coautor do artigo.
"Para atingir uma vantagem quântica sobre computadores tradicionais ou clássicos, você precisa de um outro ingrediente chamado 'mágica' ou 'não-estabilizador'. Se seu sistema quântico não tem 'mágica', ele pode ser simulado por um computador clássico, tornando o computador quântico desnecessário. É somente quando seu sistema tem muita mágica que você vai além do que é possível com um computador clássico."
Para computadores quânticos resistentes a erros, criar superposições ou emaranhamento entre estados é relativamente fácil. Em contraste, adicionar mágica ao estado ou deslocá-los ainda mais de estados estabilizadores fáceis de simular deve ser altamente desafiador.
"Na literatura de informação quântica , você frequentemente encontra termos como 'destilação de estado mágico' ou 'cultivo de estado mágico', que se referem a processos bastante árduos para criar estados quânticos especiais com magia que o computador quântico pode usar", disse Niroula.
"Antes deste artigo, havíamos escrito um artigo que observou uma transição de fase semelhante no emaranhamento, no qual observamos fases em que as medições de um sistema quântico preservavam ou destruíam o emaranhamento, dependendo de quão frequentes elas eram."
Embora haja uma grande quantidade de literatura com foco na realização do emaranhamento em sistemas de computação quântica com correção de erros, os fundamentos dos estados mágicos permanecem menos compreendidos.
O principal objetivo do estudo recente de Niroula e seus colegas foi determinar se uma transição de fase semelhante à observada anteriormente para o emaranhamento também existe para a magia. A existência de tal transição pode sugerir a existência de uma teoria mais geral que seja aplicável a diferentes propriedades quânticas, incluindo tanto o emaranhamento quanto a magia.
"Uma característica geral dessas transições de fase é que elas envolvem duas forças ou processos concorrentes", explicou Niroula. "Uma delas cria o recurso e outra o destrói — ajustar a força relativa ou a proporção desses processos parece revelar essas transições.
"No caso do emaranhamento, um portão quântico agindo entre dois qubits tende a produzir emaranhamento entre eles, enquanto uma medição de um desses qubits tende a destruir o emaranhamento. Agora, se você tivesse um circuito quântico com muitos portões, você pode adicionar medições aleatoriamente no circuito e controlar a propagação do emaranhamento no sistema."
Estudos anteriores com foco no emaranhamento em circuitos quânticos estabeleceram que se houver poucas medições em um circuito quântico, todo o sistema quântico fica emaranhado. Em contraste, se houver muitas medições, o emaranhamento é suprimido e, portanto, mínimo. Além disso, se aumentarmos gradualmente a densidade de medições em um sistema, o emaranhamento mudará rapidamente de alto para quase nulo.
"Medições destroem magia também, mas para ser capaz de adicionar magia ao sistema de forma controlável, você precisa ser capaz de fazer pequenas rotações do qubit", disse Niroula. "Então, as duas forças concorrentes aqui são 'o quanto você mede' e 'o quanto você gira os qubits'. O que observamos é que em uma taxa fixa de medição, você pode ajustar seu ângulo de rotação e ir de uma fase em que você tem muita magia para uma fase em que você não tem magia."
Como parte do estudo, Niroula e seus colegas primeiro executaram uma série de simulações numéricas, que ofereceram uma forte indicação de que uma transição de fase na mágica de fato ocorreu. Encorajados por essas descobertas, eles então se propuseram a testar sua hipótese em um ambiente experimental, usando circuitos quânticos reais.
"Em nosso experimento, observamos a assinatura da transição de fase mesmo em uma máquina barulhenta", disse Niroula. "Nosso trabalho, portanto, revelou uma transição de fase na magia.
"Trabalhos anteriores revelaram outros tipos de transições em emaranhamento e em cargas etc. e isso levanta as questões: quais outros recursos podem exibir transições semelhantes? Todos eles pertencem a algum tipo universal de transição? Todos eles são distintos ou estão todos relacionados de alguma forma? Também importante, o que a presença de transição de fase nos ensina sobre a construção de computadores quânticos resilientes a ruído?"
As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores abrem novos caminhos para pesquisas com foco em recursos em sistemas de computação quântica com correção de erros. Estudos futuros poderiam, por exemplo, explorar outras propriedades e recursos que exibem uma transição de fase semelhante àquelas observadas para emaranhamento e mágica.
"Estados mágicos são importantes para correção de erros", acrescentou Niroula. "Nosso trabalho nos dá alguns insights sobre quando podemos concentrar magia e quando podemos suprimi-la. Uma via que seria interessante explorar é ver se podemos usar nosso experimento como uma 'fábrica de estados mágicos' onde você está produzindo bons estados mágicos para consumo pelo computador quântico.
"Atualmente, há muito interesse na área em demonstrar os princípios básicos ou os blocos de construção da correção de erros, e nosso trabalho pode fazer parte disso."
Mais informações: Pradeep Niroula et al, Transição de fase em magia com circuitos quânticos aleatórios, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02637-3 .
Informações do periódico: Nature Physics
