Imported Article – 2026-03-08 01:00:18

Como essas mudanças podem acontecer de forma aleatória, mesmo um único erro pode interromper um cálculo. Prevenir essa interrupção é um dos problemas centrais enfrentados pelos engenheiros quânticos.

Protegendo Informação com Qubits Lógicos

Para reduzir esses erros, os pesquisadores combinam muitos qubits físicos em um único qubit lógico e aplicam correção de erros contínua. Essa estratégia ajuda a preservar a informação quântica ao longo do tempo, tornando o armazenamento relativamente estável. Mas armazenar informação é apenas parte da tarefa. Para executar um algoritmo quântico, os qubits devem ser manipulados ativamente usando portas quânticas, que são as operações básicas que alimentam a computação quântica.

Aplicar essas operações sem introduzir novos erros se mostrou muito mais difícil do que simplesmente manter os qubits estáveis em repouso.

Uma Nova Maneira de Calcular Enquanto Corrige Erros

Uma equipe liderada pelo professor Andreas Wallraff, do D-PHYS, agora demonstrou um método que aborda esse problema diretamente. Trabalhando com pesquisadores do Instituto Paul Scherrer (PSI) e teóricos liderados pelo professor Markus Müller da RWTH Aachen University e do Forschungszentrum Jülich, o grupo mostrou como realizar operações quânticas entre qubits lógicos supercondutores enquanto corrige erros ao mesmo tempo. Seus resultados foram recentemente publicados na Nature Physics.

O trabalho representa um avanço importante em direção à computação quântica tolerante a falhas, onde os cálculos podem prosseguir sem serem interrompidos por erros constantes.

Por Que a Correção de Erros Quânticos É Diferente

A correção de erros em computadores clássicos depende da cópia de informações. Múltiplos bits idênticos podem ser armazenados, verificados posteriormente e comparados. Se um mudar, uma votação da maioria revela o valor correto. Essa abordagem não funciona em sistemas quânticos.

“Com qubits, as coisas são muito mais complicadas”, diz Dr. Ilya Besedin, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Wallraff e co-autor principal do estudo ao lado do estudante de doutorado Michael Kerschbaum. A informação quântica não pode ser copiada ou clonada. Em vez disso, deve ser distribuída entre qubits emaranhados. Além disso, os sistemas quânticos sofrem de erros de mudança de fase, que não têm equivalente na computação clássica e exigem seus próprios métodos de correção.

Correção de Erros com Códigos de Superfície

Uma solução amplamente utilizada envolve códigos de superfície. Nessa abordagem, a informação de um único qubit é espalhada por vários qubits de dados físicos. A detecção de erros depende de medições repetidas de estabilizadores, que trabalham em conjunto com os qubits de dados para formar o qubit lógico.

Esses estabilizadores são monitorados usando qubits adicionais conectados aos qubits de dados. Medir esses estabilizadores revela se uma mudança de bit ou mudança de fase ocorreu entre as medições. Estabilizadores do tipo Z detectam mudanças no valor do bit, enquanto estabilizadores do tipo X detectam mudanças de fase. É importante que os qubits de dados em si nunca sejam medidos diretamente, permitindo que eles armazenem com segurança o estado quântico corrigido.

O Desafio de Realizar Operações Lógicas

O processo se torna mais complexo quando os pesquisadores desejam aplicar uma operação lógica, como uma porta controlada-NOT, entre dois qubits lógicos. Erros podem ocorrer durante a própria operação, e esses erros também precisam ser corrigidos.

“Realizar uma operação lógica dessa maneira tolerante a falhas seria relativamente fácil se pudéssemos mover nossos qubits e conectá-los arbitrariamente uns aos outros”, diz Kerschbaum. Em processadores quânticos supercondutores, no entanto, os qubits estão fixos no lugar. Apenas qubits vizinhos podem interagir, o que limita como as operações podem ser realizadas.

Dividindo o Quadrado com Cirurgia de Rede

Para trabalhar dentro dessas limitações, a equipe recorreu a um método conhecido como cirurgia de rede. Em seu experimento, os pesquisadores começaram com um único qubit lógico codificado em dezessete qubits físicos. Os qubits de dados e estabilizadores foram organizados em um padrão aproximadamente quadrado. Durante vários ciclos, estabilizadores foram medidos a cada 1,66 microssegundos para corrigir tanto mudanças de bit quanto mudanças de fase.

Em um momento chave, três qubits de dados que passavam pelo centro do quadrado foram medidos. Essa etapa efetivamente dividiu o código de superfície em duas metades separadas. Ao mesmo tempo, as medições dos estabilizadores do tipo X foram paausadas.

“O resultado final dessa operação foi que tínhamos dois qubits lógicos entrelaçados entre si”, explica Besedin. Durante o processo de divisão, os erros de mudança de bit continuaram sendo corrigidos. Depois, a correção de erros de mudança de bit foi retomada de forma independente em cada metade. Embora essa operação não produza ainda uma porta controlada-NOT por si só, ela pode ser combinada com etapas adicionais de divisão e fusão para criá-la.

Um Primeiro para Qubits Supercondutores

“Pode-se dizer que a operação de cirurgia de rede é a operação, e todas as outras podem ser construídas a partir dela”, diz Besedin.

Ele acrescenta: “Até onde sabemos, esta é a primeira vez que a cirurgia de rede foi realizada em qubits supercondutores”, acrescenta, “e ainda temos um caminho a percorrer. Por exemplo, 41 qubits físicos seriam necessários para tornar a operação de divisão de um qubit lógico estável também contra mudanças de fase. No entanto, essa demonstração de cirurgia de rede em qubits supercondutores marca um passo importante em direção ao ambicioso objetivo de construir computadores quânticos úteis com milhares de qubits.