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Os pesquisadores propuseram métodos para preservar a integridade de bits quânticos – técnicas que podem se tornar a chave para a computação quântica prática em larga escala.
Para o Ano internacional de ciência quântica e tecnologiaestamos republicando histórias sobre a história da física quântica dos arquivos de Revista de Física e Notícias da APS. O Versão unique desta história foi publicado em Revista de Física em 10 de junho de 2016.
Os computadores quânticos foram sonhados muito antes de qualquer demonstração prática se tornar possível. Em meados dos anos 90, dois pesquisadores que trabalham independentemente mostraram teoricamente como ter uma grande dificuldade que alguns acham insuperável (1Assim, 2). Eles criaram métodos de correção de erro que protegeriam os estados quânticos frágeis essenciais para o funcionamento interno de um computador quântico. A descoberta inspirou projetos tolerantes a falhas que poderiam viabilizar computadores quânticos em larga escala, bem como métodos para preservar as informações transmitidas por meios mecânicos quânticos.
A idéia de computação quântica é frequentemente creditada a Richard Feynman, que fez uma palestra em 1981, argumentando que combinações quânticas, ou “superposições”, de dois estados distintos poderiam formar os elementos de um computador. Em vez de 1s e 0s, os bits quânticos (qubits) podem estar em estados parcialmente 1 e parcialmente 0 – um sistema mais versátil (3). Em 1994, Peter Shor, da AT&T Bell Labs, em Murray Hill, Nova Jersey, mostrou que esse dispositivo poderia encontrar rapidamente os fatores de grande número, uma tarefa que é proibitivamente demorada usando computadores convencionais (4).
Mas também surgiram dúvidas sobre a viabilidade da computação quântica. Um qubit pode manter sua identidade apenas enquanto for mantida estritamente isolada de distúrbios que o derrubariam de sua superposição quântica e forçam a se tornar um 1 ou um 0. Alguns pesquisadores argumentaram que seria impossível preservar qubits por tempo suficiente para realizar um cálculo (5).
Shor abordou essa preocupação em 1995, apresentando uma maneira de testar se um qubit foi perturbado e, nesse caso, corrige -o. O problema é que qualquer teste direto de um qubit equivale a uma medição que destrói seu estado sobreposto. Shor explicou como criar, a partir de um único qubit, um estado de nove qubits que são conectados através do emaranhamento quântico e que codificam a superposição unique. O estado de nove quits é um conjunto de três grupos que contêm três qubits cada, todos idênticos no início. Se um qubit dentre os nove for perturbado, o trigêmeo ao qual pertence será diferente dos outros dois. Os dois trigêmeos idênticos, no entanto, mantêm um registro preciso do estado de qubit unique.
Para avaliar a condição dos trigêmeos sem destruir as informações relevantes, Shor fez uso de medições que revelam apenas um aspecto de um estado emaranhado. Por exemplo, com qubits com base em rotações quânticas, uma certa medição de um par de qubit em emergência mostrará se seus rotações apontam nas mesmas direções ou opostas, sem indicar quais são essas direções. O Shor construiu uma sequência de tais operações nos três trigêmeos que indicariam se um deles havia mudado e que permitiria outra sequência de operações para reconstruir o qubit unique dos trigêmeos inalterados.
No ano seguinte, Andrew Steane, da Universidade de Oxford, Reino Unido, publicou uma análise da mesma maneira, exceto que seu método de correção de erros precisava de apenas sete qubits. Os métodos dele e de Shor eram, na época, propostas teóricas. Como Steane observou, “a produção experimental de tais estados … é uma tarefa exigente que ainda precisa ser abordada”.
“O trabalho de Shor foi revelador”, diz David Divincenzo, agora na Universidade Aachen, na Alemanha. Na época, ele estava na IBM Analysis em Yorktown Heights, Nova York, trabalhando com colegas sobre questões decorrentes da descoberta de teletransporte quântico de 1993 (ver Recurso especial: Quantum Milestones, 1993: Teleportation não é ficção científica). No teletransporte, dois observadores em diferentes locais compartilham um estado emaranhado e um problema análogo à correção de erros surge, pois a conexão entre os observadores normalmente estará sujeita a distúrbios que podem atrapalhar o emaranhamento. O grupo IBM estava estudando esse problema quando o trabalho de Shor apareceu, e influenciou suas pesquisas sobre como garantir o teletransporte preciso por meio de um canal barulhento (6).
O trabalho teórico floresceu rapidamente, diz DiVincenzo. Surgiu rapidamente que existem infinitamente muitos códigos de correção de erros, classificáveis usando a teoria do grupo e as conexões com mecânica estatística e transições de fase tornaram-se aparentes. A primeira demonstração de um método de correção de erros ocorreu em 1998 (7). Mas o trabalho experimental é difícil e o progresso continua a ser “mais atrevido”, como DiVincenzo coloca. Até o momento, os computadores quânticos de trabalho envolveram apenas um punhado de qubits que podem ser protegidos contra distúrbios, e a correção de erros quânticos foi demonstrada apenas para qubits únicos. Para que a computação quântica em larga escala se torne prática, no entanto, métodos tolerantes a falhas originários do trabalho de Shor e Steane serão um elemento de design necessário.
–David Lindley
David Lindley é um escritor de ciências freelancers, agora aposentado. Seu livro mais recente é O universo dos sonhos: como a física basic se perdeu (Penguin Random Home, 2020).
Referências
- PW Shor, “Esquema para reduzir a decoerência na memória quântica do computador”. Phys. Rev. a 52R2493 (1995).
- Am Steane, “Códigos de correção de erro na teoria quântica”. Phys. Rev. Lett. 77793 (1996).
- RP Feynman, “Simulando a física com computadores”. Int. J. Theor. Phys. 21467 (1982).
- PW Shor, “Algoritmos para computação quântica”. Proc. 35º Ann. Symp. Fundação da ciência da computação (IEEE Pc Society Press, Los Alamitos, 1994), p. 124 (Amazon) (Worldcat); “Algoritmos de tempo polinomial para fatoração primordial e logaritmos discretos em um computador quântico”. Siam J. Comput. 261484 (1997).
- R. Landauer, “A mecânica quântica é útil?” Philos. Trans. R. Soc., A A353367 (1995).
- Ch Bennett et al.“Purificação de emaranhamento barulhento e teletransporte fiel por meio de canais barulhentos”. Phys. Rev. Lett. 76722 (1996).
- DG Cory et al.“Correção experimental de erro quântico”. Phys. Rev. Lett. 812152 (1998).
