Google demonstra o cultivo de estados mágicos no Willow e reduz erros em cerca de 40 vezes

A Google Quantum AI afirma ter mostrado que o cultivo de estados mágicos, uma técnica para preparar um tipo especial de recurso quântico, funciona em seu processador supercondutor Willow. Segundo a empresa, o método reduziu os erros por um fator de aproximadamente 40 em comparação com estados preparados sem ele. O Google disse que o trabalho foi publicado na Science e o anunciou nesta semana em um post de blog assinado pela cientista pesquisadora Emma Rosenfeld e pelo engenheiro de software quântico Craig Gidney.

Computadores quânticos tolerantes a falhas precisam de um conjunto universal de operações, e as chamadas portas não-Clifford entre elas representam um custo significativo de recursos para a maioria dos projetos de correção de erros. Uma forma comum de fornecê-las é preparar primeiro estados de entrada especiais, chamados estados mágicos, e consumi-los para realizar essas operações. Cada estado mágico só pode ser consumido uma vez, e produzi-los com baixo erro é caro: o Google cita estimativas segundo as quais até 95% da capacidade de uma máquina poderia ser destinada à sua produção. Os pesquisadores anteveem esse gargalo desde 2004, disse a empresa.

O cultivo foi proposto em 2024 por Gidney junto com os colegas do Google Noah Shutty e Cody Jones, que aprimoraram uma ideia da literatura anterior. Ele funciona como um filtro: um estado ruidoso é injetado em uma pequena área do chip e depois verificado por meio de uma sequência de medições coordenadas, e qualquer tentativa que revele um erro é descartada. Segundo o resumo do preprint da equipe no arXiv, o experimento alcançou uma fidelidade de estado de 0,9999(1) retendo 8% das tentativas, e a equipe desenvolveu um protocolo de medição tolerante a falhas para estabelecer um limite para essa fidelidade. O Google descreve como um recorde a fidelidade lógica de 99,99% de seus estados T.

Os pesquisadores também transferiram estados cultivados entre dois esquemas de correção de erros. Os códigos de cores, uma abordagem mais recente, são adequados ao cultivo, enquanto os códigos de superfície são o método mais consolidado. A equipe enxertou estados de um código de cores de distância 3 em um código de superfície de distância 5, o que, segundo o Google, mostrou que estados purificados podem sobreviver à transferência em seu hardware. A empresa também descreveu meses de investigação de problemas depois que os primeiros dados pareceram fisicamente implausíveis: Rosenfeld atribuiu o problema ao ruído de laboratório causado por equipamentos elétricos sujeitos a deriva e por variações de temperatura, que comprometiam o benchmark habitual da equipe, o que levou a um controle adicional e a uma nova abordagem de benchmarking em que o cultivo é usado para medir a si mesmo.

O Google reconheceu que o cultivo ainda precisa ser demonstrado em maior escala antes de se tornar realista para máquinas práticas, e disse que ainda restam muitos desafios técnicos. O índice de retenção também significa que a maioria das tentativas do experimento foi descartada. Um preprint do artigo havia sido publicado anteriormente no arXiv. O Google apresenta o resultado como um passo rumo ao seu objetivo de construir um computador quântico útil e com correção de erros.