Os computadores quânticos que verificam se auto-melhoram a sua precisão

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Os computadores quânticos que verificam se auto-melhoram
a sua precisão
De que serve um computador rápido se você não pode confiar nele?
Descrição do IBM Q System One CC BY 2.0
Tem havido muito burburinho ultimamente em torno de computadores quânticos e sua capacidade de
superar até mesmo os supercomputadores mais rápidos do mundo. Operando sobre os princípios da
mecânica quântica (onde as leis da física assumem uma qualidade quase sci-fi), prevê-se que esses
computadores transformem nossas capacidades de computação – isto é, se pudermos decolo-las.
Uma de suas limitações atuais é a sua extrema sensibilidade às influências externas, o que leva a erros
nos cálculos. Isso ocorre porque os computadores quânticos dependem de qubits como sua unidade
básica de informação, partículas subatômicas, como elétrons, íons presos ou fótons, que foram isolados
em um estado quântico controlado.
“Os sistemas quânticos são naturalmente frágeis, porque nunca podem estar perfeitamente isolados de
seu ambiente”, disse Martin Ringbauer, pesquisador de doutorado em informações quânticas da
Universidade de Innsbruck, em um e-mail para a ASN. “Qualquer interação com o ambiente pode levar a
erros nos cálculos feitos nesses dispositivos.”
Mesmo pequenas mudanças – digamos uma vibração, mudança de temperatura ou pressão, ou até
mesmo radiação do espaço exterior – podem fazer com que os qubits caiam de seus estados quânticos
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https://www.advancedsciencenews.com/what-are-quantum-computers/
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excitados, resultando em um erro computacional.
De que serve um computador rápido se você não pode confiar nele? Isso se torna especialmente difícil
nos casos em que computadores clássicos não podem ser usados para verificar as respostas. “A
correção de erros quânticos oferece maneiras de superar isso em princípio, mas continua sendo muito
desafiadora para os dispositivos atuais”, acrescentou Ringbauer. “Para usar computadores quânticos, é
importante verificar se eles funcionam como pretendido.”
“Existem várias estratégias para verificar os computadores quânticos”, continuou ele. “A abordagem
mais simples é medir o desempenho de cada bloco de construção e tentar estimar o desempenho do
dispositivo completo a partir daí. No entanto, isso geralmente não é suficiente, e também requer
conhecimento físico detalhado do dispositivo. Por outro lado, existem maneiras de verificar o
desempenho do sistema completo diretamente, mas estes são impraticáveis, exigindo, por exemplo,
computadores quânticos emaranhados ou comunicação quântica.
Ringbauer e seus colegas de trabalho, que incluem pesquisadores da Universidade Nacional de
Cingapura e da Universidade de Viena, criaram uma técnica de verificação cruzada que compara os
resultados de um cálculo realizado em um dispositivo com o resultado de um cálculo relacionado, mas
fundamentalmente diferente, feito em outro dispositivo. Para o teste, eles usaram cinco computadores
quânticos que funcionam em quatro tecnologias de hardware diferentes: circuitos supercondutores, íons
presos, fotônica e ressonância magnética nuclear.
“Nossa técnica é baseada na execução de cálculos diferentes em diferentes dispositivos, mas com uma
conexão oculta entre eles”, disse Ringbauer. “Essa conexão oculta vem da maneira como geramos os
cálculos a partir de uma estrutura comum, chamada de estado de cluster. Do ponto de vista dos
dispositivos, eles estão fazendo cálculos aleatórios, mas suas respostas devem concordar de uma
maneira específica [para estar correta]. Ao verificar com que frequência esse é o caso, podemos medir o
acordo entre os dispositivos.”
Executar o mesmo cálculo em dispositivos diferentes e comparar suas respostas não diria
necessariamente se a resposta está correta, apenas que os computadores concordam. A visão
importante que Ringbauer e seus colegas fornecem é a execução de cálculos completamente diferentes
em dispositivos separados, onde os resultados dessas computações foram vinculados. Uma vez que os
cálculos são diferentes, os resultados só concordarão se eles também estão corretos. “Os computadores
quânticos realizam vários cálculos aleatórios, o que é importante para o objetivo de estabelecer a
precisão dos dispositivos, não a precisão de um cálculo específico”, disse Ringbauer.
Em comparação com outros métodos, esta técnica é independente do hardware quântico, não exigindo
qubits adicionados ou emaranhamento entre dispositivos, e pode ser usada para verificar a precisão dos
dispositivos em situações em que a resposta correta não pode ser calculada classicamente.
Os pesquisadores também não precisam olhar para o resultado completo da computação, que pode ser
muito demorada. “É suficiente verificar com que frequência os diferentes dispositivos concordam nos
casos em que deveriam, o que pode ser feito mesmo para computadores quânticos muito grandes”,
disse Tommaso Demarie, da Entropica Labs, em Cingapura, outro dos autores do estudo.
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Como os processadores quânticos superam suas contrapartes clássicas, novos métodos de verificação
tornam-se cada vez mais importantes. Esta técnica fornece uma alternativa viável e um passo crucial
para longe da dependência persistente dos computadores quânticos de verificações clássicas.
Referência: Chiara Greganti, et al., Verificação cruzada de dispositivos quânticos independentes,
Revisão física X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031049
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https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.031049