Resumo:
O Google anunciou que a equipe de Inteligência Artificial Google Quantum superou com sucesso um gargalo importante na computação quântica: demonstrou que a solução de "cultivo de estado mágico" é viável no processador Willow, e o erro é reduzido em cerca de 40 vezes em comparação com o não uso desta tecnologia. Este resultado inovador foi publicado hoje na revista Science e é um passo fundamental na promoção da aplicação prática em larga escala da computação quântica.
Gargalo Mágico
Já em 2004, muito antes de a computação quântica se tornar uma direção prática da engenharia, os pesquisadores previram um gargalo espinhoso.
Quer realizar a
computação quântica universal
, para executar um programa de valor prático, ele deve ser capaz de realizar um conjunto específico de operações quânticas. Isto é conseguido preparando primeiro os chamados "estados mágicos", assim chamados porque esses estados quânticos podem gerar operações quânticas além daquelas exigidas para cálculos clássicos.Mas há um problema aqui: produzir monstros de alta qualidade com correção de erros exige muitos recursos. Algumas estimativas mostram que um computador quântico pode usar até 95% de todo o poder computacional para gerar estados mágicos, deixando poucos recursos para cálculos reais. Há outra dificuldade: uma vez utilizado o estado mágico, ele não pode ser reutilizado e é um recurso escasso.
Portanto, nas últimas duas décadas, os pesquisadores científicos têm reduzido continuamente o custo dos recursos da preparação do estado mágico.
Como alcançar esse avanço
Em 2024, os pesquisadores de IA quântica do Google Craig Gidney, Noah Schulti e Cody Jones pegaram ideias emprestadas da literatura e as otimizaram para desenvolver o que hoje é chamado de
Cultivo do Estado Mágico
tecnologia. Espera-se que este programa reduza significativamente o consumo de recursos. A ideia central é: o processo de cultivo é como um filtro. Estados quânticos ruidosos são injetados em uma pequena área do chip quântico e uma série de medições altamente coordenadas são então realizadas para solucionar erros e eliminar amostras não qualificadas. A equipe de Craig provou que com este método é possível “cultivar” estados quânticos com pureza extremamente alta e baixo erro, e pode simultaneamente convertê-los em formas de codificação práticas e em maior escala.Esta solução apresenta excelentes resultados teóricos. Se puder ser implementado em hardware quântico, poderá reduzir significativamente a escala de computadores quânticos necessários para tarefas práticas.
Como muitas pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias, a implementação de projetos requer uma série de inovações tecnológicas e pesquisas de engenharia.
Um exemplo: ao testar o protocolo de cultivo pela primeira vez, a pesquisadora de IA quântica do Google, Emma Rosenfield, observou dados que pareciam desafiar as leis da física. Após meses de solução de problemas, simulações, discussões entre colegas e verificações de consistência, ela descobriu que o problema originava-se de suposições incorretas nos métodos de medição comumente usados pela equipe. Especificamente, um tipo de ruído causado por desvios e flutuações de temperatura em equipamentos elétricos de laboratório interfere na validade dos resultados dos testes de referência. A equipe precisa ajustar simultaneamente o referencial teórico e os planos de engenharia. A equipe de pesquisa adicionou métodos de controle adicionais ao sistema para enfraquecer o impacto do ruído; também criou um conjunto de métodos de teste de referência para usar a própria tecnologia como uma ferramenta de medição para resolver o problema desde a raiz.
Apoiando-se nessa conquista e em mais inovações em algoritmos e soluções de engenharia, o Google elevou a tecnologia de medição quântica a um novo nível. No processador Willow do Google Quantum AI, este protocolo atinge até 40 vezes a compactação de erros em comparação com estados quânticos sem processamento de cultivo; a fidelidade lógica do estado T resultante atinge um recorde de 99,99%.
Este resultado foi agora publicado na Science. É a primeira vez que se demonstra uma solução viável para um dos gargalos de recursos mais sérios da computação quântica e prova em hardware real que o Google pode preparar com eficiência esse estado mágico fundamental.
Resultados da pesquisa e perspectivas futuras
O Google também verificou inicialmente que a teoria proposta por Craig e outros pode ser adaptada à sua arquitetura de computação quântica. A equipe percebeu a mudança entre "código de cores" (um novo tipo de código quântico de correção de erros, muito adequado para o cultivo de estados mágicos) e "código de superfície" (um esquema de correção de erros mais maduro), enxertando o estado quântico do código de cores com uma distância de 3 para o código de superfície com uma distância de 5. Este protocolo de enxerto veio pela primeira vez de um artigo teórico em 2024. Este experimento confirmou que o estado quântico purificado pode sobreviver de forma estável e ser transmitido suavemente no hardware.
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