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Lidando com Erros na Computação Quântica

Lidando com Erros na Computação Quântica

A Mecânica Quântica é um dos ramos reverenciados da ciência, onde o tema de estudo é sobre partículas subatômicas. Com a Mecânica Quântica, fomos capazes de estudar como partículas muito pequenas no mundo, na faixa de átomos, elétrons e fótons, se comportam no mundo.

E sua contribuição mais notável para o mundo? Computadores quânticos, tecnologias de comunicação a laser, transistores, microscópios eletrônicos, etc.

No entanto, as informações do Quantum estão sujeitas a alterações com base em muitos fatores de atenuação. Qualquer alteração do valor original resultará em um erro, e Quantum Error Correction ou (QEC) é usado para manter os valores em ordem.

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Neste artigo, vamos discutir algumas das complexidades intrigantes da Mecânica Quântica, como eles resultam em erros e como os cientistas estão tentando corrigi-los.

Quando falamos sobre Mecânica Quântica, sempre a associamos com átomos. Mas como o campo da Mecânica Quântica é tão avançado, podemos até expandi-lo para explicar as coisas maiores, mais especificamente as coisas do dia a dia ao nosso redor, certo?

Não, ao contrário dessa crença comum, usar a teoria quântica para explicar objetos grandes geralmente retorna valores falsos. Em uma definição mais voltada para a ciência, podemos dizer que a Mecânica Quântica não é um bom presságio para a Relatividade Geral que Einstein propôs.

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Para entender a lacuna entre a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade, temos que entender tanto em sua definição básica quanto como se aplicam ao mundo.

Na Mecânica Quântica, estudamos átomos e partículas ainda menores, como elétrons. Essas partículas subatômicas são governadas por um conjunto de regras diferente das leis da física.

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Por exemplo, a teoria quântica afirma que partículas como elétrons têm natureza de partícula e natureza de onda, e também são capazes de existir em dois lugares ao mesmo tempo. Isso não se encaixa bem no mundo macro em que vivemos, já que os objetos ao nosso redor, seja uma mesa ou uma bola, existem apenas em um lugar de cada vez.

Outro aspecto da Mecânica Quântica é que ela não consegue explicar a Gravidade. De acordo com a Mecânica Quântica, a passagem do tempo e do espaço são fixas.

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Porém, segundo Einstein, espaço e tempo são relativos. Além disso, o espaço pode se dobrar e se contorcer. Isso é obviamente uma contração de como a Teoria Quântica vê as coisas.

E é aí que entram os erros de que falamos. Então, como os cientistas preenchem essa lacuna?

Não podemos desconsiderar ambas as teorias, pois ambas estão igualmente certas em seu próprio ecossistema. Quando pegamos objetos maiores, a Teoria da Relatividade nos dá informações precisas sobre como o objeto responde e se comporta na presença de certas forças.

E, quando estudamos as menores partículas do universo, a Mecânica Quântica apresenta uma imagem clara de sua existência e de como elas interagem umas com as outras. Não podemos ter o mesmo nível de compreensão do reino quântico que temos hoje sem a Mecânica Quântica.

No entanto, quando a micro e a macro mecânica interagem, elas não fornecem respostas uma para a outra, criando erros nos cálculos e descobertas. Então, o que concluímos?

Mesmo agora, com todo o nosso poder tecnológico, os erros da mecânica quântica quando dimensionados para proporções macro ainda permanecem indefinidos.

Existem apenas duas explicações reais para que possamos chegar a um acordo com o problema.

Ou a Mecânica Quântica não é universalmente aplicável e, portanto, não pode ser aplicada em termos de objetos grandes. A outra explicação para esses erros é que a física carece de fatos claros e certas possibilidades que estão além do nosso reconhecimento.

A única solução para esse problema é restringir o uso da Mecânica Quântica para avaliar objetos de determinados tamanhos.

No entanto, há um campo em que a Mecânica Quântica está sendo usada cada vez mais ao longo dos anos - a computação quântica. Assim como um computador pessoal, os Computadores Quantum também são construídos com peças imperfeitas.

A principal diferença é que existe um sistema bem estabelecido que é reservado apenas para corrigir os erros em computadores pessoais, enquanto o mesmo não acontece com os computadores quânticos.

Os computadores quânticos processam informações na forma de Qubits. Os qubits têm a capacidade de não se tornar nem um nem zero e sair dos estados intermediários.

Mas, os Qubits são muito sensíveis às forças externas ou ao próprio ambiente. Isso abre caminho para que erros apareçam nos resultados.

O uso de Qubits lógicos

Um cientista sênior do grupo de pesquisa de Andreas Wallraff chamado Sebastian Krinner pode ter a resposta para essa pergunta. Ele é o primeiro vencedor do Prêmio Lopez-Loreta na ETH Zurique e apresentou um conceito que ajudará a computação quântica a cometer menos erros.

Sua ideia é introduzir um novo tipo de qubit chamado Logical Qubit. Um qubit lógico é uma coleção de qubit individuais.

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Então, ao invés de trabalharem individualmente, eles trabalham em uníssono, diminuindo a taxa de erro no processo. Porém, a condição para que o Logic Qubit funcione é que eles devem possuir alta taxa de confiabilidade desde o próprio início.

Se eles tiverem uma taxa de erro de mais de um por cento, o Logic Qubit trará mais erros, o que é contraproducente. Experimentos estão sendo feitos para testar o Logic Qubits para estudar seus efeitos na computação quântica.

Um método diferente está sendo desenvolvido para consertar erros em computadores quânticos rapidamente. Ph.D. os alunos Vlad Negnevitsky e Matteo Marinelli com a ajuda do pós-doutorado Karan Mehta e outros colegas desenvolveram um sistema onde eles podem medir as propriedades de duas espécies diferentes em uma corda, íons berílio (9Be +) e um íon cálcio (40Ca +).

A vantagem de ter duas espécies para medir é que, pelo uso de propriedades quânticas, medir as características de um elemento permitirá aos pesquisadores saber o estado do outro elemento, sem perturbá-lo.

Por exemplo, o monitoramento do íon cálcio dará aos pesquisadores informações sobre os íons berílio. E a melhor parte é que os íons podem ser mantidos para vários testes sem perturbar os íons de berílio, o que não era possível com os testes de computação quântica convencionais.

A equipe também construiu um sistema de controle que corrige os íons berílio assim que eles saem do curso. Essa forma de detecção e correção de erros era algo inédito na computação quântica.

É claro que a Mecânica Quântica vem com sua cota de erros, mas o nível de poder computacional que eles trazem para a mesa os torna o único método capaz de resolver problemas complexos.

Com pesquisas acontecendo em todo o mundo para detectar e corrigir os erros quânticos, estamos definitivamente nos movendo mais rápido em direção à computação quântica prática.


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