Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um novo método para realizar operações quânticas que reduz significativamente as taxas de erro em computadores quânticos de átomos neutros. Ao aproveitar um fenómeno físico conhecido como fase geométrica, esta nova abordagem cria portas de troca que são muito mais estáveis do que os métodos tradicionais, aproximando a tecnologia da utilidade prática e em grande escala.
As descobertas, publicadas em 8 de abril na revista Nature, abordam um dos gargalos mais persistentes na computação quântica: a extrema suscetibilidade dos qubits a erros causados por ruído ambiental e imperfeições de hardware.
O problema: fragilidade diante do ruído
Os computadores quânticos derivam seu poder de qubits, que podem existir em uma superposição de estados (0 e 1 simultaneamente). Para realizar cálculos, esses sistemas utilizam portas lógicas para manipular qubits. Um componente crítico é o swap gate, que troca os estados de dois qubits, permitindo que as informações sejam roteadas através do processador.
No entanto, os métodos atuais para criar portas de troca em sistemas de átomos neutros são altamente sensíveis. Esses sistemas normalmente usam lasers para suspender átomos neutros (como o potássio) no lugar, formando uma rede óptica. Os portões de troca tradicionais dependem de:
* Estados eletrônicos altamente excitados.
* Colisões atômicas.
* O efeito túnel quântico.
Essas técnicas dependem muito do tempo preciso e da intensidade dos lasers. Mesmo flutuações microscópicas na força ou no tempo do laser podem introduzir erros, fazendo com que o portão falhe. Essa sensibilidade contribui para a alta taxa de erro dos bits quânticos atuais – aproximadamente 1 em 1.000 – em comparação com a taxa de erro de 1 em 1 trilhão dos bits de silício convencionais. Essa discrepância impede que os computadores quânticos sejam ampliados para superar os supercomputadores clássicos.
A solução: geometria ao longo do tempo
A equipe da ETH Zurique, liderada pelo pesquisador de pós-doutorado Yann Hendrick Kiefer, contornou essas vulnerabilidades utilizando a fase geométrica.
Ao contrário das portas “dinâmicas” convencionais, que dependem do controle exato sobre os níveis de energia, tempo e intensidade do laser, as portas geométricas dependem do caminho que o sistema quântico percorre através de seu espaço de estado.
“A manipulação desta função de onda geralmente introduz uma fase na função de onda, que pode ser de origem dinâmica ou geométrica”, explica Kiefer. “A abordagem geométrica funciona de maneira diferente: em vez de depender do tempo exato ou da força, depende principalmente do caminho geral que o sistema percorre do início ao fim.”
Nesta configuração, dezenas de milhares de átomos de potássio são resfriados até perto do zero absoluto e mantidos no lugar pela intersecção de raios laser. Quando dois átomos são aproximados o suficiente para que suas ondas quânticas se sobreponham, seu estado combinado muda com base unicamente na geometria de seu movimento. Como essa mudança é independente da rapidez com que os átomos se movem ou da intensidade dos lasers, a operação é naturalmente robusta contra o ruído experimental.
Precisão e escala que quebram recordes
As implicações práticas deste método são significativas. A equipe de pesquisa demonstrou uma porta de troca com as seguintes métricas de desempenho:
* Precisão: Melhor que 99,91%.
* Velocidade: Opera em menos de um milissegundo.
* Escala: aplicada com sucesso em 17.000 pares de qubits simultaneamente.
Embora os sistemas supercondutores ou de íons aprisionados possam atingir velocidades de porta mais rápidas (submicrossegundos), eles normalmente operam em apenas alguns pares de qubits por vez. O método ETH Zurich oferece uma combinação única de alta fidelidade e paralelismo massivo, essencial para a construção de processadores quânticos em grande escala.
Implicações para o futuro da computação quântica
O estudo também confirmou a criação de portas “half-swap”, que são vitais para a execução de algoritmos quânticos complexos. Ao contrário de uma troca completa, que apenas move informações, uma meia troca troca parcialmente estados enquanto cria emaranhamento – a correlação única entre qubits que dá aos computadores quânticos seu poder de processamento exponencial.
Este avanço desafia suposições anteriores sobre os recursos necessários para a computação quântica prática. Historicamente, acreditava-se que seriam necessários milhões de qubits para executar algoritmos como o algoritmo de Shor, que pode fatorar grandes números e quebrar a criptografia moderna. No entanto, estudos recentes sugerem que com portas de maior fidelidade como as desenvolvidas pela ETH Zurich, tais problemas poderiam ser potencialmente resolvidos com apenas 10.000 qubits.
Conclusão
Embora um computador quântico prático e tolerante a falhas continue sendo um trabalho em andamento, esta abordagem geométrica marca um passo crítico em frente. Ao dissociar as operações quânticas do ruído do controle do laser, os pesquisadores criaram um caminho para sistemas mais estáveis e escaláveis, transformando lentamente o sonho de uma computação quântica poderosa em realidade.
