Demonstração de qubits lógicos emaranhados de alta fidelidade usando transmons

Mantendo vínculos quânticos frágeis vivos

Computadores quânticos prometem resolver problemas que sobrecarregam os supercomputadores atuais, mas seus blocos de construção — os qubits — são notoriamente frágeis. Mesmo distúrbios mínimos do ambiente podem embaralhar as conexões delicadas, ou emaranhamento, que dão poder aos dispositivos quânticos. Este artigo mostra uma forma de manter pares de qubits codificados, ou “lógicos”, emaranhados por muito mais tempo do que o hardware nu permitiria, usando uma combinação inteligente de duas estratégias de proteção testadas nos processadores transmon supercondutores da IBM.

Por que a proteção comum não é suficiente

A correção de erros quânticos padrão armazena informação em vários qubits físicos para que pequenos deslizes possam ser detectados e, em princípio, corrigidos. Mas todo código de correção de erros tem pontos cegos: certos padrões de erro parecem operações legítimas sobre os dados codificados e passam despercebidos como “erros lógicos”. À medida que os processadores quânticos aumentam de escala, interações indesejadas entre qubits vizinhos — especialmente um tipo de perturbação de dois qubits chamada crosstalk — podem criar exatamente esses padrões perigosos. O remédio usual é tornar os códigos maiores e mais complexos, o que rapidamente se torna caro em termos de hardware e overhead de controle.

Combinando dois escudos em um

Os autores propõem uma estratégia híbrida que mantém o código pequeno ao mesmo tempo em que reduz muito seus pontos cegos. Eles partem de um código compacto de detecção de erros de quatro qubits, frequentemente escrito como [[4,2,2]], que codifica dois qubits lógicos em quatro físicos. Sobre isso, aplicam desacoplamento dinâmico, uma técnica em que pulsos de controle rápidos e cuidadosamente projetados são aplicados aos qubits para cancelar os efeitos do ruído ao longo do tempo. A sacada é que esses pulsos não são arbitrários: são escolhidos a partir das próprias operações de simetria do código, chamadas elementos do “normalizador”. Pulsando com essas operações conscientes do código — uma abordagem que os autores chamam de normalizer dynamical decoupling — eles conseguem fazer uma média exatamente sobre aquelas perturbações que, de outra forma, se mascarariam como erros lógicos, sem sair do subespaço codificado.

Testando a ideia em hardware real

Para ver se esse esquema realmente protege a informação, a equipe focou em um dos recursos mais delicados da computação quântica: pares de Bell emaranhados. Eles usaram o código de quatro qubits para codificar dois qubits lógicos e prepará‑los em estados de Bell emaranhados, então deixaram o sistema em repouso nos chips transmon de 127 qubits da IBM. Ao decodificar deliberadamente em diferentes estados de Bell e ler todos os quatro qubits físicos, podiam detectar se erros lógicos específicos haviam ocorrido e acompanhar separadamente falhas físicas ordinárias. Eles também preencheram os períodos de inatividade nos circuitos de codificação e decodificação com sequências conhecidas de desacoplamento dinâmico físico, de modo que quaisquer ganhos adicionais pudessem ser atribuídos aos novos pulsos em nível lógico. Esse desenho cuidadoso lhes permitiu distinguir entre proteção de qubits individuais e supressão genuína de erros lógicos no código.

Quanto de proteção extra obtemos?

Em dispositivos onde transmons vizinhos constantemente se perturbam, o crosstalk rapidamente arruinou pares de Bell lógicos desprotegidos: sua fidelidade, uma medida de quão próximo o estado final está do estado emaranhado alvo, caiu para cerca de 20% em cerca de 10 microssegundos e exibiu oscilações induzidas por essas interações indesejadas. O desacoplamento dinâmico físico sozinho melhorou a situação, mas ainda deixou erros lógicos consideráveis. Quando os pesquisadores ativaram suas sequências de pulsos conscientes do código, sintonizadas para cancelar os canais de erro dominantes e tornadas robustas contra imperfeições de controle, os pares de Bell lógicos se saíram dramaticamente melhor. Em tempos de armazenamento de até 55 microssegundos, a melhor versão do esquema manteve fidelidades médias de Bell codificadas na faixa de 90–95% uma vez que também usaram a detecção de erro incorporada no código para descartar execuções com falhas físicas claras, e ainda acima de 80% mesmo sem focar no melhor conjunto de qubits. Em contraste, o melhor par de Bell não codificado no mesmo hardware, mesmo com forte desacoplamento dinâmico físico, decaiu para cerca de 70% de fidelidade no mesmo período.

Além do ponto de equilíbrio

A mensagem central é que um par emaranhado de qubits lógicos, protegido por esse híbrido de detecção de erros e normalizer dynamical decoupling, sobrevive melhor do que qualquer par comparável desprotegido ou meramente protegido fisicamente — o que os autores chamam de desempenho além do ponto de equilíbrio. O método não apenas retarda erros lógicos, mas também reduz a taxa de falhas físicas detectáveis, o que diminui o custo de descartar execuções ruins. Como os padrões de pulso dependem apenas de um pequeno conjunto de simetrias do código, em vez do tamanho do código, a abordagem pode, em princípio, escalar para arquiteturas maiores sem explodir em complexidade. Esse trabalho oferece, portanto, uma receita prática para manter vínculos quânticos frágeis intactos tempo suficiente para serem úteis em algoritmos reais e em máquinas tolerantes a falhas maiores.

Citação: Vezvaee, A., Tripathi, V., Morford-Oberst, M. et al. Demonstration of high-fidelity entangled logical qubits using transmons. Nat Commun 17, 3281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70011-3

Palavras-chave: correção de erros quânticos, desacoplamento dinâmico, qubits lógicos, transmons supercondutores, emaranhamento