Engenheiros da UNSW Sydney se inspiraram na famosa analogia do gato de Schrödinger para demonstrar uma maneira mais eficiente de eliminar erros na computação quântica.

"Imagine que você está tentando encontrar seu gato escondido em uma de oito caixas de papelão idênticas, em um quarto escuro e barulhento", diz Andrea Morello, professora da UNSW Scientia.

"Você não tem permissão para entrar na sala — abrir a porta pode matar o gato. Qual é a melhor estratégia para descobrir onde ele está escondido? Nossa equipe de pesquisadores quânticos encontrou uma resposta para esse problema, e isso pode ser um marco importante no caminho para a construção de um computador quântico."

A metáfora do gato tem sido usada há décadas para ilustrar os fenômenos peculiares que ocorrem ao tentar aplicar a mecânica quântica a sistemas macroscópicos.

Em um estudo liderado pela UNSW, o "gato" é o núcleo de um átomo de antimônio , implantado em um chip quântico de silício. Embora atomicamente pequeno, o núcleo de antimônio possui oito estados quânticos que podem ser usados para codificar informações quânticas. O trabalho foi publicado na revista PRX Quantum .

Ter oito estados diferentes oferece espaço adicional para detectar e corrigir erros que possam ocorrer durante o cálculo.

A melhoria da correção de erros quânticos é um grande obstáculo na construção de computadores quânticos de grande escala.

"Os estados quânticos usados para codificar a informação são chamados, de fato, de estados do ' gato de Schrödinger '", diz o Prof. Morello.

"O principal problema que resta é descobrir que ocorreu um erro sem interromper a informação preciosa codificada no átomo — ou 'gato'."

Para explicar como esse problema foi resolvido, o Prof. Morello pede que imaginemos o gato no quarto escuro.

"Nesse cenário, você não pode entrar na sala e olhar dentro, então, em vez disso, você poderia colocar oito aspersores na sala, cada um posicionado acima de uma das caixas. Em seguida, você borrifa água em cada caixa, em sequência, e ouve um 'miau' irritado quando o gato demonstra desagrado por estar sendo molhado."

"Mas, como o ambiente é barulhento, você pode pensar erroneamente que um miado veio de uma caixa vazia — ou não perceber um miado verdadeiro vindo da caixa que contém o gato."

Ele afirma que o método padrão para reduzir a probabilidade de tais erros é repetir todo o experimento várias vezes e inferir que o gato está na caixa de onde vieram mais miados.

No entanto, se borrifar com muita frequência, o gato pode entrar em pânico e pular para outra caixa.

"Espalhar água repetidamente nas caixas pode alterar justamente aquilo que você está tentando observar", diz o professor Morello.

O segredo, diz o Prof. Morello, é parar imediatamente assim que o primeiro "miau" for ouvido — este é o seu palpite inicial — e passar a borrifar apenas nas caixas onde supostamente o gato não está.

"O silêncio vindo dessas cabines aumenta a confiança de que seu palpite estava correto", diz ele.

"A ausência de um sinal confirma a presença de outro, sem interagir diretamente com o sistema."

"Às vezes, o silêncio pode ser ensurdecedor."

No sistema físico utilizado pelos pesquisadores, o "aspersor" é um elétron que pode ser empurrado para o átomo e, em seguida, removido dele, dependendo do estado quântico do spin nuclear.

A adição e a remoção de elétrons podem desestabilizar o núcleo e fazê-lo saltar para um estado diferente.

Quando a nova estratégia é aplicada ao "gato atômico", o elétron precisa se desprender do átomo apenas uma vez. Depois disso, somente os estados vazios são sondados.

Este método reduziu em mais da metade a probabilidade de erro e diminuiu o tempo total de medição para um terço.

O autor principal, Arjen Vaartjes, afirma que, usando essa estratégia de medição adaptativa , a equipe conseguiu aumentar a confiança de "encontrar o gato na caixa certa" para 99,61%.

O professor Morello afirma: "a correção de erros quânticos depende de medições repetidas sem perturbar a frágil informação quântica, o que equivale a encontrar o gato na caixa certa sem assustá-lo."

Ao alterar sua estratégia de medição, a equipe demonstrou que é possível extrair mais informações causando menos perturbação — um passo essencial rumo à computação quântica em escala de utilidade pública.

A equipe afirma que a abordagem pode aprimorar as medições " em meio de circuito " usadas na correção de erros quânticos, o que representa um grande desafio no desenvolvimento de computadores quânticos escaláveis para aplicações como descoberta de medicamentos, simulação de reações químicas, otimização de portfólios financeiros e aprendizado de máquina.

O professor Morello afirma que o impacto mais amplo do trabalho reside no fato de que ele pode ser aplicado a uma vasta gama de outros sistemas de computação quântica.

"Essa abordagem de medição adaptativa pode ajudar a reduzir significativamente os erros de medição em sistemas que vão desde qubits semicondutores até arquiteturas atômicas ou fotônicas", afirma ele.

"Como muitas arquiteturas também utilizam hardware semelhante, o novo protocolo pode ser facilmente adaptado a outras plataformas que apresentam erros durante a medição."

Ele afirma que a computação quântica escalável pode, em última análise, depender de quão bem aprendermos a "encontrar o gato na caixa certa" sem perturbá-lo.

"Agora podemos extrair informações sobre o sistema quântico com a delicadeza necessária para mantê-las intactas."

Vaartjes afirma: "Tudo o que foi preciso foi um FPGA rápido, uma xícara de café, uma equipe dedicada de pesquisadores inteligentes e uma longa tarde de sexta-feira programando."