Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

A natureza é repleta de sistemas que parecem sair do controle. Padrões climáticos giram em tempestades, congestionamentos de tráfego se formam a partir do menor atraso e populações de predadores e presas sobem e descem em ciclos imprevisíveis. No entanto, dentro desse caos aparente, a ordem frequentemente emerge. Correntes de jato se organizam a partir da turbulência e a atividade neural se sincroniza nos ritmos constantes do cérebro. Cientistas sabem há muito tempo que, ao observar esses sistemas caóticos de perto e fazer pequenos ajustes oportunos, eles podem ser guiados de volta a um estado estável. Esse princípio de controle do caos ajudou a estabilizar lasers e até a guiar espaçonaves através de regiões gravitacionais instáveis. Agora, pesquisadores questionam se essa mesma ideia pode funcionar no mundo estranho e frágil da mecânica quântica, onde partículas existem em múltiplos estados simultaneamente e são facilmente perturbadas por seus arredores.

O desafio no reino quântico é imenso. Sistemas quânticos são incrivelmente sensíveis; o menor ruído ou erro pode destruir a delicada informação que eles contêm. Os métodos tradicionais de controle de sistemas quânticos frequentemente falham porque o próprio ato de medi-los altera seu comportamento. No entanto, uma nova abordagem surgiu utilizando uma combinação de operações quânticas aleatórias e monitoramento constante. Ao medir partes de um sistema quântico e, em seguida, usar essa informação para resetar ou corrigir outras partes em tempo real, os cientistas podem criar um ciclo de feedback. Esse processo, conhecido como circuito adaptativo, permite que pesquisadores guiem um sistema quântico para longe do caos e em direção a um estado específico e estável, efetivamente domando a tempestade quântica.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas da IBM e da Universidade Rutgers colocou esse conceito à prova em grande escala. Eles construíram um circuito quântico em um processador supercondutor que mimetiza um famoso modelo matemático conhecido como mapa de Bernoulli. Em sua forma clássica, este mapa pega um número, dobra-o e mantém apenas a parte fracionária, um processo que rapidamente embaralha qualquer valor inicial em caos. Os pesquisadores criaram uma versão quântica deste mapa, onde o "embaralhamento" é feito por portas quânticas aleatórias que misturam a informação dos qubits. Para contrapor esse caos, eles introduziram um mecanismo de controle: em intervalos aleatórios, eles mediam um qubit específico e, com base no resultado, o resetavam para um estado inicial conhecido. Isso criou uma competição entre as forças de embaralhamento, que tentavam espalhar a informação por toda parte, e as forças de controle, que tentavam fixar o sistema em um estado único e ordenado.

O experimento foi conduzido em um processador quântico da IBM usando até cem qubits, um passo significativo acima de tentativas anteriores que eram limitadas a apenas algumas dezenas. Os pesquisadores executaram o circuito por milhares de etapas, permitindo que o sistema evoluísse até atingir um estado estacionário. Eles então observaram como o sistema se comportava conforme ajustavam a frequência das medições de controle. Quando o controle era fraco, o sistema permanecia caótico, com a informação espalhada por todos os qubits em uma teia complexa e emaranhada. À medida que aumentavam a frequência das medições e resets, o sistema mudava subitamente. Ele transitava deste estado quântico caótico para um estado controlado e ordenado, onde os qubits se assentavam em um padrão previsível. Essa mudança, conhecida como transição de fase, ocorreu em um ponto de inflexão preciso, onde as forças de controle finalmente superaram o caos.

O que tornou essa descoberta particularmente significativa foi a capacidade de observar a transição não apenas no comportamento médio do sistema, mas nas flutuações de trajetórias quânticas individuais. Em um sistema clássico, se você executar o mesmo experimento duas vezes, obterá o mesmo resultado. Em um sistema quântico, mesmo com a configuração exata, a natureza aleatória da medição significa que cada execução produz um resultado ligeiramente diferente. Os pesquisadores mediram essas diferenças, conhecidas como flutuações quânticas, e descobriram que elas se comportavam de uma maneira muito específica no ponto de inflexão. Essas flutuações cresciam e diminuíam de acordo com leis universais que coincidiam com as previsões teóricas com alta precisão. Isso confirmou que o sistema estava realmente se comportando como um objeto quântico, seguindo as regras complexas da mecânica quântica, em vez de agir apenas como um computador clássico ruidoso.

Para garantir que seus resultados fossem genuínos, a equipe comparou seus dados experimentais com dois tipos diferentes de simulações computacionais. Uma simulação modelou o sistema como um computador quântico perfeito, enquanto a outra modelou o sistema como um computador clássico que havia sido destituído de toda a coerência quântica, essencialmente tornando-o um processo aleatório e ruidoso. Os dados experimentais coincidiram muito mais de perto com a simulação quântica perfeita do que com a clássica. Isso forneceu evidências fortes de que o processador quântico estava realizando com sucesso o controle adaptativo complexo, mantendo sua natureza quântica mesmo sendo constantemente medido e resetado. O estudo também revelou que a transição do caos para a ordem não foi apenas uma mudança no estado do sistema, mas uma mudança fundamental do comportamento quântico para um comportamento efetivamente clássico, onde o sistema tornou-se tão ordenado que não exibia mais o emaranhamento complexo típico da mecânica quântica.

Este trabalho representa um marco importante no desenvolvimento da tecnologia quântica. Ao coordenar com sucesso milhares de operações quânticas, incluindo medições e resets, em um grande número de qubits, os pesquisadores demonstraram um nível de controle que é essencial para a construção de futuros computadores quânticos tolerantes a falhas. Essas máquinas precisarão monitorar e corrigir constantemente seus próprios erros para funcionar, e este experimento mostra que tal controle adaptativo é possível mesmo na presença de ruído. A capacidade de observar e compreender essas transições em hardware quântico real aproxima os cientistas de dominar todo o poder da mecânica quântica para resolver problemas que são atualmente impossíveis de serem abordados por computadores clássicos. O estudo prova que, com as ferramentas certas, até mesmo os sistemas quânticos mais caóticos podem ser guiados para um estado de ordem, abrindo as portas para uma nova era de controle quântico.