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Os computadores quânticos prometem poder computacional exponencial, processando muitas possibilidades simultaneamente. Mas as máquinas que temos hoje ainda estão longe desse ideal. Para começar, seus bits, chamados qubits, são propensos a erros frequentes e, como resultado, os computadores quânticos são limitados por enquanto. Para superar esses erros, as máquinas precisam acessar os chamados estados mágicos — e cientistas do Google Research acreditam que seu chip quântico pode ajudar a chegar lá. Em um novo estudo publicado hoje na revista Science, os pesquisadores mostram como fornecer estados mágicos de forma mais barata usando uma técnica inspirada na jardinagem, chamada cultivo.
Os computadores tradicionais constroem cada cálculo a partir de algumas portas lógicas simples, como AND, OR e NOT. Em contraste, "os computadores quânticos têm sua própria analogia para essas operações, chamadas portas de Clifford", explica Emma Rosenfeld, pesquisadora do Google Quantum AI e principal autora do estudo. As portas de Clifford, no entanto, podem ser imitadas por um computador normal. "Mas existe uma porta específica que desbloqueia o poder do computador quântico", diz Rosenfeld. "Os físicos a chamam de porta não-Clifford, geralmente chamada de porta T".
Essa porta extra é produzida usando um estado mágico.
Um quibit em um estado mágico é preparado em uma mistura muito específica dos estados 0 e 1 (ocupar uma mistura de estados é uma especialidade dos computadores quânticos). Ao ser inserido em um cálculo, ele é usado para realizar a porta lógica extra, e qualquer falha no estado se torna uma falha na porta, afirma Rosenfeld.
A receita padrão para criar estados mágicos é chamada de destilação, e ela gera menos estados quânticos, porém mais precisos, a partir de muitos estados imperfeitos. "Você pode ter até 95% do seu computador quântico sendo gasto apenas na geração desses estados mágicos de alta fidelidade", diz Rosenfeld. Para contornar esse gargalo, em 2024, seus colegas do Google Research propuseram uma técnica alternativa chamada cultivo, que funciona com um único estado.
Usando o chip Willow do Google, a equipe de Rosenfeld codificou um estado mágico aproximado em alguns qubits e então o mediu. Medir um estado quântico normalmente o colapsa, forçando-o a uma de duas respostas possíveis. Então, em vez de perguntar "Você é 0 ou 1?", o que colapsa o estado quântico para uma dessas duas opções, a equipe perguntou: "Você é o estado mágico correto: sim ou não?"
Os estados que passam nesse teste são então distribuídos por mais qubits para uma proteção mais robusta, daí o nome "cultivo": o estado começa pequeno, é verificado e então cresce. Sem o cultivo, cerca de quatro tentativas em cada 1.000 produziam um estado defeituoso. Com ele, os erros caíram aproximadamente 40 vezes. O experimento utilizou 54 qubits físicos dos 105 de Willow.
O experimento do Google mostra que o cultivo funciona na prática”, diz Kenneth Brown, diretor do Centro Quântico da Universidade Duke, que não participou do estudo. Ele observa, no entanto, que a técnica depende de uma etapa de garantia de qualidade que rejeita estados de baixa qualidade, descartando 92% das tentativas.
O resultado ainda está longe do que as aplicações práticas exigem. Por exemplo, usar um computador quântico para quebrar a criptografia RSA-2048 atualmente empregada na segurança de sites, bancos e cartões de identidade eletrônicos exigiria estados mágicos que falhariam apenas uma vez em 10 bilhões de tentativas. Para simular moléculas, um uso que Rosenfeld considera mais viável, precisaríamos de tais estados com apenas um erro em um milhão ou um em 100 milhões. No momento, a equipe está com aproximadamente um erro em 10.000 tentativas. Mesmo assim, o novo trabalho representa um passo na direção certa, afirma ela.
Estamos mais motivados do que nunca para chegar a essas aplicações científicas de curto prazo”, diz Rosenfeld.
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