Google faz avanço em computação quântica: taxa de erro reduzida em 40 vezes, superando gargalo de recursos críticos

A equipe de Inteligência Artificial Quântica do Google fez avanços cruciais no campo da computação quântica, com potencial para reduzir significativamente os custos de hardware necessários para construir sistemas quânticos práticos.

A pesquisa relacionada foi publicada na quinta-feira na revista Science. O Google validou em seu processador Willow uma técnica chamada "cultivo de estados mágicos" (magic state cultivation), reduzindo a taxa de erro quântico em aproximadamente 40 vezes e alcançando uma fidelidade lógica do tipo T de 99,99%. Este é o recorde mais alto já registrado neste campo.

A produção de estados mágicos há muito tempo é considerada o principal gargalo para a escalabilidade da computação quântica — estimativas apontam que até 95% da capacidade de processamento de um computador quântico pode precisar ser dedicada exclusivamente à geração desses estados, restando pouquíssimos recursos para os cálculos propriamente ditos.

Se esse avanço conseguir ser expandido com sucesso, poderá reduzir drasticamente a escala de hardware necessária para construir sistemas quânticos tolerantes a falhas, o que é extremamente relevante para o caminho até a comercialização da computação quântica.

O Google também declarou que, ainda é necessário validar a viabilidade desta tecnologia em uma escala maior, e que a computação quântica prática ainda está a uma considerável distância.

No momento do fechamento desta matéria, as ações do Google subiram 0,24% na quinta-feira.

Os estados mágicos são elementos-chave para realizar a computação quântica "universal". Para que um processador quântico execute operações complexas que superam os computadores clássicos, ele precisa se apoiar nos estados mágicos para criar o conjunto de operações quânticas necessárias. No entanto, uma vez usado, um estado mágico não pode ser reutilizado, tornando-se um recurso escasso.

O maior desafio está no custo de produção. Algumas pesquisas estimam que computadores quânticos podem precisar destinar até 95% da sua capacidade total para produção de estados mágicos, deixando pouquíssimos recursos para as tarefas computacionais reais.

Esse gargalo já havia sido previsto por pesquisadores em 2004. Nas duas décadas seguintes, a comunidade científica buscou continuamente formas de reduzir o custo de produção desses estados, mas o progresso foi lento.

Em 2024, os pesquisadores de Inteligência Artificial Quântica do Google Craig Gidney, Noah Shutty e Cody Jones propuseram, com base na literatura existente, a abordagem de cultivo de estados mágicos.

A ideia central é desenhar o processo de produção de estados mágicos como um mecanismo de filtragem: estados quânticos ruidosos são inseridos em uma pequena área do chip, e uma série de medições altamente coordenadas detectam e descartam as tentativas defeituosas, "cultivando" estados quânticos de alta pureza e baixa taxa de erro, enquanto simultaneamente os codifica em uma escala maior e utilizável.

Contudo, implementar isso do conceito à prática em hardware não foi tarefa fácil. A cientista Emma Rosenfeld, em testes iniciais, obteve resultados aparentemente "em desacordo com as leis da física".

Após meses de investigação, a equipe descobriu que a raiz do problema estava em uma suposição incorreta da técnica de benchmarking — o ruído gerado por deriva de equipamentos elétricos e variações de temperatura no laboratório afetava a efetividade dos testes comparativos.

Para resolver isso, a equipe não só adicionou controles extras ao sistema para suprimir o impacto do ruído, como também inventou uma nova técnica de benchmarking, usando o próprio processo de cultivo como uma ferramenta de auto-calibração.

No processador Willow, a abordagem resultou, finalmente, em uma redução de cerca de 40 vezes na taxa de erro em relação aos estados quânticos não cultivados, alcançando uma fidelidade lógica tipo T de 99,99%, renovando o recorde deste campo.

A equipe do Google também realizou outra demonstração importante: validou que os estados mágicos cultivados podem ser transferidos com sucesso entre dois tipos diferentes de códigos de correção de erros quânticos — especificamente, transferindo estados quânticos do código colorido de distância-3 (color code, uma abordagem mais recente e adequada para cultivos) para o código de superfície de distância-5 (surface code, um método mais consolidado).

Essa operação de "transplante" comprova que os estados quânticos purificados podem sobreviver estáveis dentro do hardware e ser transferidos com sucesso, abrindo caminho para a integração da tecnologia de cultivo de estados mágicos na arquitetura quântica existente do Google.