Resumo:
A equipe de pesquisa do Google Quantum AI demonstrou o "cultivo do estado mágico" pela primeira vez no processador quântico supercondutor Willow e relatou que a taxa de erro do estado quântico cultivado era cerca de 40 vezes menor do que a do estado não cultivado, e a fidelidade lógica atingiu 99,99%. A pesquisa, publicada na revista Science, mostra que a solução, que antes permanecia em grande parte teórica, agora pode ser executada em hardware quântico real.
O estado mágico é um estado quântico especial necessário para implementar a computação quântica universal e pode ser usado para realizar operações não-Clifford chamadas T-gates. As arquiteturas de correção de erros existentes geralmente consomem um grande número de qubits e recursos computacionais para preparar estados mágicos de alta qualidade; algumas estimativas sugerem que os preparativos relacionados podem ocupar até cerca de 95% das capacidades de um computador quântico. O método de cultivo primeiro injeta estados quânticos ruidosos em uma pequena área do chip e, em seguida, verifica erros e filtra resultados não qualificados por meio de uma série de medições coordenadas para obter estados lógicos mais puros.
Os experimentos no artigo reduziram a probabilidade de erros lógicos de cerca de 0,44% sem cultivo para cerca de 0,01% a 0,02%, o que é consistente com a afirmação de "reduzido em cerca de 40 vezes"; no entanto, os resultados experimentais retidos após a triagem representaram cerca de 8%, indicando que esta melhoria de erro ainda é acompanhada por uma baixa taxa de sucesso, e não pode ser simplesmente entendida como significando que os recursos necessários para todo o computador quântico foram reduzidos em 40 vezes. A equipe também demonstrou a conversão e transplante do estado lógico do código de cores com distância 3 para um código de superfície com distância 5, verificando que o estado cultivado pode ser transferido entre diferentes códigos de correção de erros. Todo o chip da Willow tem 105 qubits físicos, mas esses resultados são demonstrações de circuitos experimentais específicos e não são programas práticos e tolerantes a falhas em grande escala que foram executados no chip.
Os pesquisadores também descobriram em experimentos que as flutuações de temperatura dos dispositivos e os desvios dos dispositivos eletrônicos podem interferir nos benchmarks de medição tradicionais, por isso melhoraram o controle de hardware e projetaram novos métodos de teste de benchmark. O Google afirmou que ainda precisa verificar o cultivo do estado mágico em maior escala e resolver vários desafios de engenharia durante o processo de expansão. Os resultados nesta fase provam que a rota técnica pode ser implementada em hardware real, proporcionando novos progressos na redução do limite de recursos da computação quântica tolerante a falhas, mas ainda há uma distância dos computadores quânticos práticos de grande escala.
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