A IBM lançou uma nova extensão para o ecossistema Qiskit chamada Qiskit Paulice, com o objetivo de melhorar a confiabilidade dos circuitos quânticos por meio da detecção de erros durante a execução do circuito e, em seguida, da filtragem dos resultados provavelmente afetados por eles. A ferramenta baseia-se em verificações quânticas conhecidas como “verificações de Pauli espaço-temporais” (spacetime Pauli checks), inseridas diretamente no circuito com um acréscimo limitado aos requisitos de hardware e execução.
A extensão integra os esforços de desenvolvimento de métodos de tratamento de erros em computadores quânticos atuais, em um momento em que a computação quântica totalmente tolerante a falhas ainda exige hardware complexo e um grande número de qubits. A IBM afirma que as técnicas de tratamento de erros atualmente desenvolvidas ajudarão a alcançar uma computação quântica de grande escala e tolerante a falhas, na qual os erros são corrigidos durante o cálculo, com o objetivo de alcançar isso até 2029.
Como funciona o Paulice?
Os métodos de tratamento de erros quânticos geralmente se enquadram em três grupos: supressão de erros, mitigação de erros e correção de erros. A detecção de erros não é uma categoria independente, mas representa um componente fundamental da correção de erros e de alguns métodos de mitigação, pois verifica se determinada execução do circuito foi afetada por um erro.
Nos métodos tradicionais, qubits de dados são usados para executar o cálculo, juntamente com qubits auxiliares conhecidos como ancilla, que monitoram os outros qubits e capturam indícios de erros. No entanto, a introdução desses qubits e das operações associadas pode aumentar a profundidade do circuito a tal ponto que as operações adicionais produzam mais erros do que aqueles que detectam. O Paulice foi projetado para lidar com esse dilema colocando verificações selecionadas dentro do próprio circuito.
Cada verificação de Pauli expressa uma restrição que se espera que persista durante a execução do circuito. Quando um erro viola essa restrição, isso aparece em uma “síndrome” de medição, uma sequência de bits que indica a detecção do erro. Se a síndrome for composta por zeros, nenhum erro foi detectado, enquanto qualquer valor 1 indica a presença de um erro de acordo com a verificação utilizada.
Verificações que levam em conta o espaço e o tempo
As verificações espaço-temporais diferem das verificações tradicionais porque não definem as restrições apenas entre os qubits presentes no espaço físico do hardware, mas também as posicionam em momentos específicos durante a execução do circuito. Isso permite monitorar erros em regiões extensas do cálculo, evitando parte do custo associado à medição de operadores de alto peso, que pode aumentar a profundidade do circuito, especialmente em dispositivos com conectividade limitada entre os qubits.
Nem todas as verificações são igualmente úteis, pois cada verificação acrescenta operações que podem gerar ruído adicional. Por isso, o pacote qiskit-paulice utiliza um modelo de ruído e as restrições de conectividade do dispositivo para selecionar verificações válidas, de baixo peso e eficazes na detecção de erros. Segundo a IBM, esse processo automatizado ajuda a aumentar a capacidade de detecção, limitando o custo em qubits e a profundidade do circuito.
O que o uso prático permite?
Após a execução do circuito, as informações da síndrome podem ser utilizadas de diferentes maneiras. A mais simples é manter as execuções nas quais nenhum erro foi detectado e descartar aquelas em que surgiram indícios de erro; esse processo transforma o Paulice em uma forma de correção de erros por pós-seleção (postselected error correction). As informações da síndrome também podem ser combinadas com outros métodos de mitigação ou correção de erros.
A ferramenta oferece suporte especialmente a circuitos Clifford e a circuitos dominados por esse tipo, como os circuitos baseados nas portas Hadamard, Phase e CNOT. Esses circuitos se caracterizam por um comportamento matematicamente compreensível e podem ser simulados com eficiência em computadores tradicionais, o que os torna adequados para o desenvolvimento e o teste de métodos de tratamento de erros.
A extensão inclui um tutorial para construir um circuito Clifford de 12 qubits e quatro camadas de portas de emaranhamento; em seguida, identificar os qubits de dados e os qubits auxiliares de acordo com a conectividade do dispositivo; e criar um modelo de ruído a partir dos dados da plataforma. No exemplo apresentado no material, a ferramenta adicionou sete verificações ao circuito. A lição seguinte explica como executar o circuito verificado, realizar a amostragem, verificar as síndromes, selecionar as amostras livres de erros e comparar a precisão dos resultados antes e depois da detecção de erros.
Disponibilidade e desenvolvimento futuro
A documentação e os tutoriais do Qiskit Paulice estão disponíveis, juntamente com um repositório no GitHub para baixar a extensão de código aberto. A IBM afirma que a equipe planeja adicionar suporte a sistemas não-Clifford, analisar canais de ruído após a pós-seleção e melhorar o tratamento do ruído de ociosidade durante a seleção das verificações. O material também menciona o uso de conceitos de verificações espaço-temporais em um experimento da IBM e da Universidade de Chicago relacionado à amostragem de estados de grafos aleatórios em grande escala.