Padrões de blocos não repetitivos podem proteger informações quânticas

Esta extrema fragilidade pode fazer com que a computação quântica pareça impossível. Mas em 1995, o matemático aplicado Peter Shor Descobrir Uma maneira inteligente de armazenar informações quânticas. Sua codificação tinha duas características principais. Primeiro, ele pode tolerar erros que afetam apenas qubits individuais. Em segundo lugar, veio com um procedimento para corrigir erros quando eles ocorrem, evitando que se acumulem e inviabilizem o processo de cálculo. A descoberta de Shor foi o primeiro exemplo de código quântico de correção de erros, e suas propriedades principais são a marca registrada de todos esses códigos.

A primeira propriedade decorre de um princípio simples: a informação confidencial é menos vulnerável quando é dividida. As redes de espionagem usam uma estratégia semelhante. Cada espião sabe muito pouco sobre a rede como um todo, por isso a organização permanece segura mesmo que um indivíduo seja capturado. Mas os códigos quânticos de correção de erros levam essa lógica ao extremo. Numa rede de espionagem quântica, nenhum espião saberia absolutamente nada, mas eles saberiam muito juntos.

Cada código quântico de correção de erros é uma receita específica para distribuir informações quânticas entre muitos qubits em uma superposição coletiva. Este procedimento converte efetivamente uma matriz de qubits físicos em um único qubit virtual. Repita o processo várias vezes com um grande conjunto de qubits e você obterá muitos qubits virtuais que podem ser usados ​​para realizar cálculos.

Os qubits físicos que compõem cada qubit virtual são como aqueles espiões quânticos desavisados. Meça qualquer um deles e você não saberá nada sobre o estado do qubit virtual do qual faz parte, uma propriedade chamada indistinguibilidade local. Como cada qubit físico não codifica nenhuma informação, erros em qubits individuais não corromperão o cálculo. Informações importantes estão em toda parte, de uma forma ou de outra, mas em nenhum lugar específico.

“Você não pode vinculá-lo a nenhum qubit individual”, disse Cubitt.

Todos os códigos quânticos de correção de erros podem acomodar pelo menos um erro sem qualquer impacto nas informações codificadas, mas todos acabarão por desistir à medida que os erros se acumulam. E aqui começa o segundo recurso dos códigos quânticos de correção de erros, que é a correção real de erros. Isto está intimamente relacionado com a indistinguibilidade local: uma vez que erros em qubits individuais não destroem nenhuma informação, é sempre possível Reverter qualquer erro Usando procedimentos estabelecidos para cada código.

Levado para um passeio

Zhi Li, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Periférico de Física Teórica em Waterloo, Canadá, era bem versado na teoria quântica de correção de erros. Mas o assunto estava longe de sua mente quando ele iniciou uma conversa com seu colega Latham Boyle. Era o outono de 2022 e os dois físicos estavam em um ônibus noturno de Waterloo para Toronto. Boyle, um especialista em ladrilhos não cíclicos que morava em Toronto na época e agora trabalha na Universidade de Edimburgo, era um rosto conhecido nesses ônibus, que muitas vezes ficam presos no trânsito intenso.

“Normalmente eles podem ser bastante infelizes”, disse Boyle. “Este foi o melhor de todos os tempos.”

Antes daquela noite fatídica, Lee e Boyle conheciam o trabalho um do outro, mas suas áreas de pesquisa não se sobrepunham diretamente e nunca haviam tido uma conversa cara a cara. Mas, como inúmeros pesquisadores em áreas não relacionadas, Lee estava interessado em blocos não periódicos. “É muito difícil não estar interessado”, disse ele.