Essa extrema fragilidade pode fazer com que a computação quântica pareça desesperadora. Mas em 1995, o matemático aplicado Peter Shor descoberto uma maneira inteligente de armazenar informações quânticas. Sua codificação tinha duas propriedades principais. Primeiro, poderia tolerar erros que afetassem apenas qubits individuais. Em segundo lugar, veio com um procedimento para corrigir erros à medida que ocorreram, evitando que se acumulassem e atrapalhassem um cálculo. A descoberta de Shor foi o primeiro exemplo de código quântico de correção de erros, e suas duas propriedades principais são as características que definem todos esses códigos.
A primeira propriedade decorre de um princípio simples: a informação secreta é menos vulnerável quando é dividida. As redes de espionagem empregam uma estratégia semelhante. Cada espião sabe muito pouco sobre a rede como um todo, por isso a organização permanece segura mesmo que algum indivíduo seja capturado. Mas os códigos quânticos de correção de erros levam essa lógica ao extremo. Em uma rede de espionagem quântica, nenhum espião saberia absolutamente nada, mas juntos saberiam muito.
Cada código quântico de correção de erros é uma receita específica para distribuir informações quânticas entre muitos qubits em um estado de superposição coletiva. Este procedimento transforma efetivamente um cluster de qubits físicos em um único qubit virtual. Repita o processo muitas vezes com uma grande variedade 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 alheios. Meça qualquer um deles e você não aprenderá nada sobre o estado do qubit virtual do qual ele faz parte – uma propriedade chamada indistinguibilidade local. Como cada qubit físico não codifica nenhuma informação, erros em qubits únicos não arruinarão o cálculo. A informação que importa está de alguma forma em toda parte, mas em nenhum lugar específico.
“Você não pode atribuir isso a nenhum qubit individual”, disse Cubitt.
Todos os códigos quânticos de correção de erros podem absorver pelo menos um erro sem qualquer efeito na informação codificada, mas todos acabarão por sucumbir à medida que os erros se acumulam. É aí que entra em ação a segunda propriedade dos códigos quânticos de correção de erros: a correção de erros real. Isto está intimamente relacionado com a indistinguibilidade local: como os erros em qubits individuais não destroem nenhuma informação, é sempre possível reverter qualquer erro usando procedimentos estabelecidos específicos para cada código.
Levado para um passeio
Zhi Li, pós-doutorado no Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá, era bem versado na teoria da correção quântica de erros. Mas o assunto estava longe de sua mente quando ele puxou 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 assuntos aperiódicos que morava em Toronto na época e agora está na Universidade de Edimburgo, era um rosto conhecido nessas viagens de ônibus, que muitas vezes ficavam presas no trânsito intenso.
“Normalmente eles poderiam ser muito infelizes”, disse Boyle. “Este foi o melhor de todos os tempos.”
Antes daquela noite fatídica, Li 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, Li estava curioso sobre as coisas aperiódicas. “É muito difícil não estar interessado”, disse ele.
