Espaço-tempo pode ser um “código de correção de erros quânticos”

Nos universos “holográficos” de brinquedos (se não o universo real), o tecido do espaço e do tempo emerge de uma rede de partículas quânticas. Os físicos descobriram que isso funciona de acordo com um princípio chamado correção quântica de erros.

Em 1994, um matemático da AT & T Research chamado Peter Shor trouxe fama instantânea aos “computadores quânticos” quando  descobriu  que esses dispositivos hipotéticos poderiam rapidamente fatorar grandes números - e assim quebrar grande parte da criptografia moderna. Mas um problema fundamental estava no caminho de realmente construir computadores quânticos: a fragilidade inata de seus componentes físicos. 

Ao contrário dos bits binários de informação nos computadores comuns, os “qubits” consistem em partículas quânticas que têm alguma probabilidade de estar em cada um dos dois estados, designados por | 0⟩ e | 1⟩, ao mesmo tempo. Quando os qubits interagem, seus estados possíveis se tornam interdependentes, as chances de cada um de | 0⟩ e | 1⟩ depender dos do outro. As possibilidades contingentes proliferam à medida que os qubits se tornam cada vez mais “entrelaçados” em cada operação. Sustentar e manipular esse número exponencialmente crescente de possibilidades simultâneas é o que torna os computadores quânticos teoricamente tão poderosos.

Mas os qubits são loucamente propensos a erros. O campo magnético mais fraco ou pulso de microondas de rua faz com que eles se submeter a “bit-vira” que mudar suas chances de ser | 0 ⟩ e | 1⟩ relação aos outros qubits, ou “fase-vira” que inverter a relação matemática entre os dois estados. Para que os computadores quânticos funcionem, os cientistas devem encontrar esquemas para proteger as informações, mesmo quando os qubits individuais forem corrompidos. Além do mais, esses esquemas devem detectar e corrigir erros sem medir diretamente os qubits, já que as medidas colapsam as possibilidades coexistentes dos qubits em realidades definidas: simples e antigos 0s ou 1s que não sustentam cálculos quânticos.

Em 1995, Shor seguiu seu algoritmo de fatoração com outro stunner: prova de que existem "códigos de correção de erros quânticos". Os cientistas da computação Dorit Aharonov e Michael Ben-Or (e outros pesquisadores trabalhando independentemente) provaram um ano depois que esses códigos poderiam, teoricamente, elevar as taxas de erro para perto de zero. "Esta foi a descoberta central nos anos 90 que convenceu as pessoas de que a computação quântica escalonável deveria ser possível", disse Scott Aaronson , um cientista de computação quântica da Universidade do Texas - "que é apenas um problema impressionante de engenharia". "

A partir da esquerda: Peter Shor, Dorit Aharonov e Michael Ben-Or lançaram as bases para a correção quântica de erros e para a computação quântica tolerante a falhas há mais de 20 anos

Cortesia de Pedro Shor; Cortesia de Dorit Aharonov; Universidade Hebraica de Jerusalém (Ben-Or)

Agora, mesmo que pequenos computadores quânticos estejam se materializando em laboratórios ao redor do mundo, os úteis que ultrapassarem os computadores comuns permanecem a anos ou décadas de distância . Códigos de correção de erros quânticos muito mais eficientes são necessários para lidar com as assustadoras taxas de erro de qubits reais. O esforço para criar códigos melhores é “um dos principais impulsos do campo”, disse Aaronson, juntamente com a melhoria do hardware.

Mas, na persistente busca desses códigos ao longo do último quarto de século, uma coisa engraçada aconteceu em 2014, quando os físicos encontraram evidências de uma conexão profunda entre a correção de erros quânticos e a natureza do espaço, do tempo e da gravidade. Na teoria geral da relatividade de Albert Einstein, a gravidade é definida como o tecido do espaço e do tempo - ou “espaço-tempo” - que se inclina em torno de objetos massivos. (Uma bola lançada no ar viaja ao longo de uma linha reta através do espaço-tempo, que se inclina para a Terra.) Mas, por mais poderosa que seja a teoria de Einstein, os físicos acreditam que a gravidade deve ter uma origem mais profunda e quântica da qual tecido de tempo de alguma forma emerge.

Naquele ano - 2014 - três jovens pesquisadores de gravidade quântica chegaram a uma conclusão surpreendente. Eles estavam trabalhando no campo de jogos teórico de escolha dos físicos: um universo de brinquedos chamado “espaço anti-de Sitter” que funciona como um holograma. O tecido flexível do espaço-tempo no interior do universo é uma projeção que emerge das partículas quânticas emaranhadas que vivem em seu limite externo. Ahmed Almheiri , Xi Dong e Daniel Harlow fizeram cálculos sugerindo que essa “emergência” holográfica do espaço-tempo funciona exatamente como um código quântico de correção de erros. Eles conjecturaram no Journal of High Energy Physicsque o espaço-tempo em si é um código - em universos anti-de Sitter (AdS), pelo menos. O papel desencadeou uma onda de atividade na comunidade de gravidade quântica, e novos códigos quânticos de correção de erros foram descobertos, capturando mais propriedades do espaço-tempo.

John Preskill , um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, diz que a correção de erros quânticos explica como o espaço-tempo alcança sua "robustez intrínseca", apesar de ser um material quântico frágil . "Não estamos andando em cascas de ovos para garantir que não desmoronemos a geometria", disse Preskill. “Eu acho que essa conexão com a correção quântica de erros é a explicação mais profunda que temos para por que esse é o caso.”

A linguagem da correção de erros quânticos também está começando a permitir que os pesquisadores investiguem os mistérios dos buracos negros: regiões esféricas nas quais o espaço-tempo curva tão profundamente para o centro que nem mesmo a luz pode escapar. "Tudo remonta a buracos negros", disse Almheiri, que agora está no Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. Esses lugares cheios de paradoxos são onde a gravidade atinge seu apogeu e a teoria da relatividade geral de Einstein falha. "Há algumas indicações de que, se você entender que código de espaço-tempo implementa", ele disse, "isso pode nos ajudar a entender o interior do buraco negro".

Como bônus, os pesquisadores esperam que o espaço-tempo holográfico também aponte o caminho para a computação quântica escalável, cumprindo a visão antiga de Shor e outros. "O espaço-tempo é muito mais inteligente do que nós", disse Almheiri. "O tipo de código de correção quântica de erros que é implementado nessas construções é um código muito eficiente."

Da esquerda: Ahmed Almheiri, Xi Dong e Daniel Harlow deram origem a uma nova ideia poderosa de que o tecido do espaço-tempo é um código quântico de correção de erros.

Maryam Meshar (Almheiri); Cortesia de Xi Dong; Justin Knight (Harlow)

Então, como funcionam os códigos quânticos de correção de erros? O truque para proteger informações em qubits nervosos é armazená-lo não em qubits individuais, mas em padrões de emaranhamento entre muitos.

Como um exemplo simples, considere o código de três qubits: Ele usa três qubits “físicos” para proteger um único qubit “lógico” de informações contra saltos de bit. (O código não é realmente útil para a correção de erros quânticos porque não pode proteger contra os phase-flips, mas é instrutivo.) O estado | 0 do qubit lógico corresponde a todos os três qubits físicos que estão em seus | 0⟩. estados, e o estado | 1 corresponde a todos os três sendo | 1s. O sistema está em uma “superposição” desses estados, designados por | 000⟩ + | 111⟩. Mas diga um dos qubits bit-flips. Como podemos detectar e corrigir o erro sem medir diretamente qualquer um dos qubits?

Os qubits podem ser alimentados através de duas portas em um circuito quântico. Um portão verifica a “paridade” do primeiro e do segundo qubit físico - sejam eles iguais ou diferentes - e o outro portão verifica a paridade do primeiro e do terceiro. Quando não há erro (ou seja, os qubits estão no estado | 000⟩ + | 111⟩), as portas de medição de paridade determinam que tanto o primeiro quanto o segundo e o primeiro e o terceiro qubits são sempre os mesmos. No entanto, se o primeiro qubit acidentalmente for executado com bit-flips, produzindo o estado | 100 + + | 011⟩, os portões detectam uma diferença em ambos os pares. Para um bit-flip do segundo qubit, produzindo | 010⟩ + | 101⟩, os portais de medição de paridade detectam que o primeiro e o segundo qubits são diferentes e o primeiro e o terceiro são os mesmos, e se o terceiro qubit inverte, os portões indique: mesmo, diferente. Esses resultados exclusivos revelam qual cirurgia corretiva, se houver, precisa ser executada - uma operação que inverte o primeiro, segundo ou terceiro qubit físico sem colapsar o qubit lógico. "A correção quântica de erros, para mim, é mágica", disse Almheiri.

Fonte - QuantaMagazine

Expandindo referencias:

Hypescience