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Como podemos corrigir os erros dos computadores quânticos para torná-los viáveis?

As mesmas propriedades físicas que tornam os computadores quânticos poderosos também os deixam mais vulneráveis a erros. Para que possam ser utilizados, precisamos de complexos algoritmos de mitigação e correção de erros de informação.
Computadores quânticos.

Interior de um dos computadores quânticos da IBM (IBM Quantum System One, CES 2020). Crédito: IBM/Flickr

Computadores quânticos já são uma realidade nos institutos de pesquisa e laboratórios mais avançados do mundo. Sua capacidade revolucionária para processar informações abre espaço para novos processos na computação com uma grande variedade de aplicações, como simulações complexas da natureza e possíveis melhorias para o aprendizado de máquina. Mas, se os benefícios são tão claros e as máquinas podem ser construídas, por que não são amplamente utilizados?

Zaira Nazario, física teórica no Centro de Pesquisas Watson da IBM e autora do artigo de capa da edição de junho da Scientific American Brasil (“Erros na máquina”), traz uma das razões para esta aparente contradição: na mesma medida em que são poderosos, os computadores quânticos são suscetíveis a erros computacionais e de informação.

Essas máquinas, em vez de usarem os tradicionais bits computacionais, utilizam qubits, ou “bits quânticos”, em forma de onda, unidos pelo emaranhamento quântico para realizar operações mais complexas que os computadores tradicionais. Por existirem como ondas, os qubits “podem causar interferências, assim como fazem as ondas de luz, levando a um cenário muito mais rico para a computação do que apenas a troca dos bits”, afirma Nazario.

Mas essa propriedade ondular também abre espaço para erros, que ocorrem “quando o dispositivo fica emaranhado com o ambiente”, explica ela, impossibilitando o uso prático das máquinas. Em suas complexas operações lógicas, ou “portas”, informações são trocadas bilhões de vezes entre centenas ou milhares de qubits. “Essa façanha exige que cometam no máximo um único erro a cada bilhão de portas. Hoje, as melhores máquinas cometem um erro a cada 1.000 portas.”

Corrigindo os erros

Apesar de ser mais comum nos computadores quânticos, a tendência ao erro não é sua exclusividade. Os computadores clássicos também podem ter suas informações alteradas, como é o caso dos bit flips, nos quais a informação de um bit (1 ou 0) é invertida. 

Para se proteger desse tipo de erro — que até pode ser causado pela interferência de partículas do espaço —, a estratégia mais comum são os códigos de correção de erros. Neles, geralmente a informação é armazenada com alguma redundância: um 1 é registrado em três bits como 111, por exemplo. Assim, se ocorrer um bit flip, a informação passa a ser 101, 011 ou 110 e o computador pode assumir que, antes de ser corrompida, se tratava de um 111, restaurando-a ao original.

Mas adaptar essa estratégia para os computadores quânticos não é tão fácil, mesmo que se espalhe os dados de um qubit de informação em diversos qubits físicos para gerar redundâncias. Uma das razões é que os erros não ocorrem apenas em bit flips como também nas fases das ondas que descrevem a informação. 

O maior problema, no entanto, deriva de suas propriedades quânticas: para corrigir um erro, antes é preciso checar as informações. A dificuldade é que, ao fazer isso, é possível colapsar o estado dos bits, destruindo a informação codificada — e, pelo mesmo motivo, não é possível “copiar” essa informação. 

A solução estaria no uso de qubits auxiliares, uma série de portas (ou operações lógicas) emaranhados com os qubits que realmente armazenam a informação. Dessa forma, para verificar se há erros, é só olhar para os auxiliares sem colocar em risco a informação armazenada em primeiro lugar. 

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Ainda assim,o sucesso dessa estratégia (e de toda correção de erros) depende da taxa de erros envolvida. É preciso que esse valor fique abaixo de um certo limite para que realizar as operações de identificação e correção de erros não gerem mais erros do que eliminem. Em outras palavras, é preciso de bons algoritmos que corrijam os erros (e bom hardware para mitigá-los) antes que possam se acumular e inviabilizar a utilização dos computadores. Acima desse limite, retomando o exemplo dos computadores clássicos, é como se ocorressem dois bit flips, transformando o 111 em algo como 100, impedindo a restauração do valor original.

Como afirma Nazario, ainda estamos longe de atingir esse limite, mas, a todo momento, surgem novos códigos de correção de erros e novos layouts para organizar qubits de dados e qubits auxiliares. O caminho até a viabilidade dessas máquinas “exigirá hardwares que operem abaixo do limite de erro, códigos de correção que possam corrigir os contratempos restantes com tão poucos qubits e portas adicionais quanto possível e melhores maneiras de combinar a correção e a mitigação de erros”, explica ela. “Temos de insistir, porque não terminamos de escrever a história da computação ainda.”

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Publicado em 22/06/2022.

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