By Kenna Hughes-Castleberry postado em 24 de novembro de 2022
Devido à sua fragilidade e suscetibilidade ao ruído, computadores quânticos ainda têm um longo caminho a percorrer antes que possam ser mais amplamente utilizados. Um dos principais desafios no desenvolvimento desta tecnologia tem a ver com a sua arquitetura. Como muitos engenheiros já descobriram, o qubits dentro do computador quântico atuam como uma unidade de memória e uma unidade de computação ao mesmo tempo. Isso cria limites sobre o que a tecnologia pode fazer, pois as memórias quânticas não podem ser copiadas e, portanto, não podem ser armazenadas em um computador clássico. Devido a essa limitação, muitos desenvolvedores quânticos postulam que os qubits em um computador quântico precisam interagir melhor uns com os outros para compartilhar informações de memória. Nova pesquisa da Universidade de Innsbruck sugere uma nova arquitetura para um computador quântico. Essa arquitetura, chamada de arquitetura LHZ em homenagem aos pesquisadores Wolfgang Lechner, Phillip Hauke e Peter Zoller, foi projetada especificamente para otimização, mas também pode executar operações de paridade e correção de erros. A arquitetura permite que esses processos aconteçam à medida que os qubits físicos são codificados para a coordenação entre os bits, em vez dos próprios qubits reais.
“A arquitetura LHZ é uma arquitetura quântica que nos permite codificar problemas de otimização para um computador quântico de uma forma que não requer interações difíceis de longo alcance ao resolvê-los”, explicou Ph.D. investigador Michael Fellner do grupo de pesquisa de Lechner. “Isso é diferente das abordagens convencionais, que geralmente exigem uma grande sobrecarga em recursos de portão para essas interações. Para reduzir essa sobrecarga, a arquitetura implementada é emparelhada significativamente. Isso permite que a arquitetura LHZ execute processos de paridade. “Em vez de codificar cada variável de bit diretamente em um bit quântico (qubit), os qubits na arquitetura LHZ representam a diferença (“paridade”) entre dois ou mais viáveis, o que simplifica a implementação de certos algoritmos quânticos”, acrescentou Fellner. Ao codificar os qubits com essa paridade, o número de qubits necessários para a computação quântica diminui, permitindo um método mais fácil para escalabilidade e implementações e até sugerindo uma possível maneira de tornar essas máquinas mais móveis.
A Busca da Paridade
A idéia de paridade em um computador quântico não é realmente novo. Como Fellner explicou: “Os computadores quânticos existentes já implementam essas operações muito bem em pequena escala. No entanto, à medida que o número de qubits aumenta, torna-se cada vez mais complexo implementar essas operações de portão.” Ao projetar a arquitetura LHZ, os pesquisadores de Innsbruck planejaram esse possível problema programando seus qubits de uma maneira diferente de um computador quântico típico. “Ao explorar o fato de que os qubits na arquitetura de paridade codificam a parte relativa de vários qubits 'padrão', ele pode implementar algumas operações quânticas de maneira mais simples”, acrescentou Fellner. “Em nosso trabalho recente, mostramos que é possível construir um conjunto de portas que seja universal, ou seja, que permita implementar qualquer algoritmo.” Esse tipo de computador quântico universal sugere grandes implicações para a indústria de computação quântica e pode ajudar a acelerar seu desenvolvimento. “Além disso”, afirmou Fellner, “pode-se explorar a sobrecarga no número de qubits para detectar e corrigir erros quânticos que podem ocorrer durante a computação”.
Usando a arquitetura LHZ para atenuar a correção de erros
Devido à sua suscetibilidade ao ruído, os computadores quânticos podem se tornar bastante propensos a erros. Vários métodos diferentes estão sendo testados como formas de mitigar a correção de erros e os pesquisadores de Innsbruck acreditam que a arquitetura LHZ pode ajudar nesse processo. “Os erros quânticos podem ser classificados em dois tipos, os chamados erros de inversão de bits e erros de inversão de fase”, afirmou Fellner. A arquitetura LHZ é projetada para corrigir ambos. Um tipo de erro (inversão de bit ou erro de fase) é evitado pelo hardware usado”, acrescentaram os pesquisadores de Innsbruck, Annette Messinger e Killian Ender. “O outro tipo de erro pode ser detectado e corrigido por meio do software.” Com um método robusto de correção de erros e escalabilidade, não será surpresa ver a arquitetura LHZ começar a ser implementada.
Já a empresa spin-off co-fundada por Lechner e Magdalena Hauser, chamada ParidadeQC, está trabalhando com pesquisadores em Innsbruck e em outros lugares para tentar usar essa nova arquitetura.
Kenna Hughes-Castleberry é redatora da Inside Quantum Technology e comunicadora científica da JILA (uma parceria entre a University of Colorado Boulder e o NIST). Suas batidas de escrita incluem tecnologia profunda, metaverso e tecnologia quântica.