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D-Wave é uma raridade no espaço da computação quântica, tendo sido fundada no século passado. E sua oferta inicial não era um computador quântico como os desenvolvidos pela IBM ou pelo Google. Em vez disso, a empresa construiu o que hoje é chamado de recozimento quântico, uma máquina que não é de uso geral, mas pode resolver uma grande classe de problemas de otimização. Embora o hardware compartilhe algumas semelhanças com os qubits usados em computadores quânticos baseados em portas, ele opera de uma maneira fundamentalmente diferente.
E este ano, a empresa adquiriu uma startup chamada Quantum Circuits que nasceu em Yale e vem desenvolvendo o que é chamado de qubit dual-rail (a mesma tecnologia usada pela Amazon), que promete tornar a maioria dos erros muito fáceis de detectar, simplificando a correção de erros. Na quarta-feira, a empresa publica um artigo na Nature que descreve um passo fundamental na validação desta tecnologia dual-rail, mostrando que dois dos qubits podem ser emaranhados sem alterar a sua melhor característica: a maioria é de um único tipo fácil de detectar. A estrutura básica de um qubit de trilho duplo depende da criação de dois ressonadores interligados, que chamaremos de esquerdo e direito.
Se você colocar um único fóton no sistema e medi-lo, ele sempre estará no ressonador esquerdo ou direito. Mas é possível colocar esse único fotão numa sobreposição tanto da esquerda como da direita. Esses são todos os recursos que você precisa para criar um qubit. O bom da configuração de trilho duplo é que o erro mais comum é simplesmente o fóton escapando do hardware. (Isso às vezes é chamado de “qubit de apagamento”, pois a perda do fóton apaga as informações que ele contém.) O próximo erro mais comum é a inversão de fase do qubit, com as inversões de bits sendo um terceiro muito distante.
Crucialmente, a perda de fótons pode ser facilmente detectada com o hardware certo, sem a necessidade de qubits adicionais para executar um código de correção de erros. Você ainda precisará de um código de erro para lidar com esses outros erros. Mas como deverão ser menos frequentes e as inversões de fase serão muito mais comuns, deverá ser possível utilizar um código de erro mais simples e compacto – um código que possa potencialmente ser adaptado à frequência relativa dos dois tipos de erro restantes. Isso significa que você precisa dedicar menos qubits de hardware para cada qubit lógico com correção de erros.
A D-Wave está apostando que isso permitirá obter computação quântica útil sem ter que construir tanto hardware. Mas os qubits dual-rail não são tão amplamente estudados como muitas outras abordagens, e é por isso que a empresa está publicando um artigo hoje. As frequências relativas dos três tipos de erros foram estudadas principalmente em qubits únicos que estão simplesmente parados ainda assim, tentando manter seu valor inicial. A execução de cálculos exigirá muitas operações em qubits e é possível que essas operações tenham uma hierarquia de erros diferente. “Muitas vezes, quando você começa a produzir dois qubits ou portas emaranhadas, você pode distorcer sua hierarquia de erros”, disse Trevor Lanting da D-Wave a Ars.
“Portanto, para erros dominantes, outras coisas além das rasuras podem começar a aparecer. Uma das coisas fundamentais que nos deixa muito entusiasmados com este portão de dois qubits [que] estamos publicando na Nature é que ele preserva a hierarquia de erros.” (Para os curiosos, a Amazon não precisou fazer algo semelhante porque escolheu um sistema onde quaisquer conexões entre qubits de trilho duplo são mediadas por um qubit intermediário baseado no transmon.
Como resultado, ele nunca precisa emaranhar diretamente qubits de trilho duplo.) A D-Wave se propôs a fazer três coisas no artigo: demonstrar o emaranhamento de dois qubits de trilho duplo, mostrar que a operação foi rápida o suficiente para a computação quântica prática e mostrar que quaisquer erros ocorreram aproximadamente na mesma proporção que ocorrem ao usar o qubit como memória. A empresa configurou um par de qubits de trilho duplo, cada um contendo dois ressonadores acoplados. Entre eles havia um acoplador sintonizável que podia ser ligado ou desligado. Dependendo do estado deste acoplador, os dois qubits operariam de forma independente ou interagiriam.
Na prática, isso envolve configurar o acoplador de forma que um qubit (denominado qubit de controle) ocupe parcialmente o acoplador, permitindo que ele interaja com o segundo. Executar um portão emaranhado acabou sendo extremamente simples: ative a conexão, espere e desligue-a novamente. A parte de “espera” nem sequer lhe daria tempo para verificar o relógio; são cerca de 200 nanossegundos, com todo o emaranhado demorando 500 ns. “Podemos realizar essas operações em algumas centenas de nanossegundos, portanto são operações rápidas”, disse Lanting. “Portanto, você não apenas tem a alta fidelidade dos dispositivos de trilho duplo, mas também produz operações de emaranhamento rápidas.” Criticamente, tinha a mesma hierarquia de tipos de erros.
As taxas de perda de fótons foram de cerca de 0,5% por emaranhamento e foram cinco vezes mais comuns do que qualquer outro tipo de erro. “Bit-flips são praticamente inexistentes no nível 10 −6”, diz o jornal. A maioria das perdas afetou o qubit de origem, que também pode entrar parcialmente no acoplador. “A adição de uma operação de emaranhamento rápida e de alta fidelidade completa a caixa de ferramentas de portas e operações para qubits de cavidade de trilho duplo”, disse Lanting. Isso não significa que o trabalho da D-Wave esteja concluído, é claro. Para começar, os dispositivos apresentavam taxas de erro crescentes à medida que mais operações eram realizadas.
“À medida que o número de portas aumenta, tanto a fidelidade quanto a pureza do estado final exibem um valor aproximadamente inesperado. diminuição quadrática ", reconhece o artigo. "Propomos que a causa seja o desvio nos parâmetros de calibração ou flutuações na frequência do transmon de acoplamento em escalas de tempo de média de tiro experimental." Portanto, há mais trabalho a ser feito antes que o sistema esteja pronto para operações mais complexas. A correção de erros também exige que o hardware suporte medições enquanto um cálculo está em andamento, o que uma série de outras tecnologias já demonstraram. Isso ainda é um trabalho em andamento para detecção de perda de fótons.
“Estamos trabalhando em técnicas para detectar apagamentos no meio do circuito”, disse Lanting. “Ainda não aperfeiçoamos isso, mas temos ideias, um plano e um roteiro para detectá-los, não apenas no final, mas enquanto você executa seu circuito.” A outra área que precisa de trabalho significativo é a teoria da detecção de erros quando existem diferenças tão grandes entre as classes de erros. A computação clássica necessária para interpretar os dados de erro – chamada de síndrome – de um qubit lógico é substancial. Mas Lanting disse que espera que isso possa ser reduzido pelo qubit dual-rail, fornecendo o que ele chamou de “conjunto mais rico de informações no fluxo de dados que flui do [processador quântico]”.
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