Um estudo da Universidade de Osaka, no Japão, promete acelerar a chegada da era da computação quântica. Pesquisadores desenvolveram um método inovador para preparar os “estados mágicos”, que podem ser entendidos como “blocos de construção” quânticos complexos e de alta precisão.

Esses “estados mágicos” são componentes essenciais para a construção de computadores quânticos mais tolerantes a falhas.

O avanço representa um passo crucial para superar o “ruído quântico”, principal obstáculo para o desenvolvimento de máquinas de processamento de dados muito poderosas. O achado aproxima a humanidade de uma capacidade computacional sem precedentes.

“Sistemas quânticos sempre foram extremamente suscetíveis a ruídos”, afirmou à Science Daily o principal pesquisador envolvido na descoberta, Tomohiro Itogawa.

“Mesmo a menor perturbação na temperatura ou um único fóton desviado de uma fonte externa pode facilmente arruinar a configuração de um computador quântico, tornando-o inútil. O ruído é, sem dúvida, o inimigo número um dos computadores quânticos.”

Destilação de estados mágicos: um salto na computação quântica

A dificuldade de preparar os “estados mágicos” de forma eficiente e com alta fidelidade tem sido um gargalo significativo. A equipe de Osaka abordou este desafio desenvolvendo uma técnica revolucionária: a destilação de estados mágicos em uma “versão ‘nível zero'”.

A inovação consiste no fato de que, ao contrário dos métodos tradicionais que operam em níveis mais abstratos da computação quântica, a nova abordagem funciona diretamente no “nível do qubit físico”.

“A destilação de estados mágicos é tradicionalmente um processo computacionalmente muito custoso, pois requer muitos qubits”, explicou à Science Daily Keisuke Fujii, um dos autores do estudo. “Queríamos descobrir se havia alguma maneira de acelerar a preparação dos estados de alta fidelidade necessários para a computação quântica.”

“Qubits“, ou “bits quânticos”, são a unidade básica de informação na computação quântica, assim como o bit é o da computação clássica. Enquanto um bit clássico só pode ser 0 ou 1, um qubit pode existir como superposição de ambos os estados simultaneamente, além de poder ser 0 ou 1.

Essa capacidade de superposição é fundamental para a computação quântica, permitindo que os computadores quânticos processem informações de forma muito mais eficiente do que os computadores clássicos em certos tipos de cálculo.

A busca pela linearidade dos estados mágicos para o sucesso quântico

Isso representa uma mudança fundamental na estratégia, atacando o problema na sua raiz mais elementar. Ao otimizar a preparação dos “estados mágicos” no nível mais básico do hardware, os pesquisadores conseguiram contornar as complexidades e as sobrecargas introduzidas pelas diversas camadas de abstração.

O resultado é impressionante: de acordo com os responsáveis, simulações numéricas demonstraram uma “diminuição de várias dezenas de vezes na sobrecarga espacial e temporal” em comparação com as técnicas anteriores, além de oferecerem uma “precisão sem precedentes”.

Esta redução drástica na sobrecarga é um fator determinante para a escalabilidade dos computadores quânticos.

Historicamente, a construção de máquinas quânticas maiores e mais complexas tem sido dificultada pela imensa quantidade de recursos necessários para manter os estados quânticos e garantir a tolerância a falhas.

Ao tornar a preparação dos “estados mágicos” exponencialmente mais eficiente, a equipe de Osaka tornou a construção de sistemas quânticos em larga escala muito mais viável.

Este avanço não se trata apenas de acelerar cálculos, mas de tornar possíveis cálculos que antes eram proibitivos devido às exigências de recursos, removendo um gargalo crucial no caminho para computadores quânticos de fato poderosos.

Combatendo o ruído: inimigo da computação quântica

Como explicou Itogawa, um dos maiores desafios na computação quântica é o “ruído quântico”, descrito como o “inimigo número um dos computadores quânticos”. Este ruído refere-se a interferências ambientais que causam erros e instabilidade nos delicados estados quânticos, comprometendo a integridade dos cálculos.

O objetivo final é construir “computadores quânticos tolerantes a falhas”, capazes de operar de forma confiável mesmo na presença de ruído.

A técnica de destilação de “nível zero” desenvolvida em Osaka contribui diretamente para este objetivo, tornando os “estados mágicos” mais robustos contra o ruído.

Ao operar no nível físico do qubit, o método permite que esses blocos de construção essenciais suportem melhor as perturbações, o que é um pré-requisito para sistemas quânticos em larga escala. Este foco na capacidade de “suportar o ruído” e na “tolerância a falhas” sinaliza uma evolução crucial na pesquisa quântica.

Enquanto os esforços iniciais se concentravam em demonstrar a viabilidade dos fenômenos quânticos, o campo agora investe agora na fase de engenharia, priorizando a construção de máquinas confiáveis e estáveis que possam realizar processamentos sem serem sobrecarregadas por interferências. Este avanço é um passo significativo nessa transição da teoria para a prática da engenharia de hardware quântico robusto.

Implicações e o futuro da computação quântica

As implicações desta inovação são vastas e podem remodelar indústrias inteiras. Ao superar o problema do ruído quântico e reduzir drasticamente a sobrecarga computacional, a descoberta acelera a chegada de máquinas quânticas capazes de realizar cálculos “milhões de vezes mais rápido que os computadores convencionais”.

Este poder computacional sem precedentes tem o potencial de revolucionar setores como das finanças e biotecnologia. Em finanças, modelos complexos de risco e otimização de portfólio poderiam ser executados com uma velocidade e precisão hoje impossíveis.

Já na biotecnologia, a descoberta de novos medicamentos e a simulação de interações moleculares seriam aceleradas exponencialmente, abrindo caminho para avanços médicos transformadores.

Essas indústrias, caracterizadas por problemas computacionais de extrema complexidade, são as que mais se beneficiarão da capacidade quântica de processar vastas quantidades de dados e explorar múltiplas soluções simultaneamente.

A promessa de “acelerar a chegada de máquinas quânticas poderosas” e “revolucionar indústrias” também intensifica a corrida global pela supremacia quântica.

Nações, corporações e instituições de pesquisa em todo o mundo investem muito para liderar esta tecnologia, reconhecendo seu potencial para gerar vantagens econômicas e estratégicas.