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

A equipe de IA Quântica do Google alcançou um avanço crucial no campo da computação quântica, prometendo reduzir drasticamente o custo de hardware necessário para construir sistemas quânticos práticos.

O estudo relacionado foi publicado na revista Science nesta quinta-feira. O Google validou em seu processador Willow uma técnica chamada "cultivo de estado mágico" (magic state cultivation), reduzindo a taxa de erro quântico em cerca de 40 vezes, com fidelidade lógica do estado T atingindo 99,99%. Este é o recorde mais alto já registrado na área.

A produção de estados mágicos há muito é considerada o principal gargalo para a escalabilidade da computação quântica — estima-se que até 95% da capacidade de processamento de um computador quântico pode ser dedicada exclusivamente à geração de estados mágicos, restando pouquíssimos recursos para cálculos de fato.

Se essa conquista puder ser ampliada com sucesso, o tamanho do hardware necessário para construir sistemas quânticos tolerantes a falhas será drasticamente reduzido, tendo grande importância para o caminho de comercialização da computação quântica.

O Google também afirmou que, ainda é necessário validar a viabilidade dessa tecnologia em escala maior, e que a computação quântica prática ainda está distante.

Até o momento da publicação, as ações do Google subiram 0,24% nesta quinta-feira.

O estado mágico é um elemento fundamental para realizar a computação quântica "universal". Para que um processador quântico execute operações complexas que superem computadores clássicos, ele depende de estados mágicos para gerar o conjunto de operações necessárias. Entretanto, uma vez utilizado, o estado mágico não pode ser reutilizado, tornando-o um recurso escasso.

O maior desafio está no custo de produção. Algumas estimativas apontam que computadores quânticos talvez precisem usar até 95% de seu processamento para produzir estados mágicos, deixando pouquíssimos recursos para as tarefas computacionais reais.

Esse gargalo já foi previsto por pesquisadores em 2004. Desde então, durante vinte anos, a academia tem explorado formas de reduzir o custo de produção de estados mágicos, mas o progresso tem sido limitado.

Em 2024, os pesquisadores de IA Quântica do Google Craig Gidney, Noah Shutty e Cody Jones propuseram o esquema de cultivo de estado mágico, com base na literatura existente.

A principal ideia é desenhar o processo de produção do estado mágico como um mecanismo de filtragem: estados quânticos ruidosos são injetados em uma pequena região do chip, e através de uma série de operações de medição altamente coordenadas, tentativas com defeitos são identificadas e descartadas. Assim, "cultivam-se" estados quânticos de alta pureza e baixa taxa de erro, codificando-os simultaneamente em formas utilizáveis de maior escala.

No entanto, transformar a teoria em hardware não foi simples. A cientista Emma Rosenfeld, em seus testes iniciais, obteve dados que "pareciam violar as leis da física".

Após meses de investigação, a equipe descobriu que o problema estava em uma premissa errada na técnica de medição básica — o ruído causado por deriva elétrica e variações de temperatura nos equipamentos do laboratório interferiu na confiabilidade dos testes de referência.

Para resolver, a equipe adicionou controles extras ao sistema para suprimir o ruído e inventou uma nova técnica de benchmark, utilizando o próprio processo de cultivo como ferramenta de autocorreção.

No processador Willow, o método conseguiu finalmente reduzir a taxa de erro do estado quântico cerca de 40 vezes em relação ao estado sem cultivo, com fidelidade lógica do estado T chegando a 99,99%, estabelecendo novo recorde na área.

A equipe do Google realizou ainda outra demonstração importante: validaram que os estados mágicos cultivados podem ser transferidos com sucesso entre dois diferentes esquemas de correção quântica de erro — especificamente, migrando o estado quântico do código colorido de distância-3 (color code, um método mais recente adequado ao cultivo) para o código de superfície de distância-5 (surface code, método de correção mais estabelecido).

Essa operação de "transplante" comprovou que o estado quântico purificado pode sobreviver e ser transferido de forma estável dentro do hardware, pavimentando o caminho para integrar a técnica de cultivo de estado mágico à atual arquitetura de computação quântica do Google.