A computação quântica, ainda em seus primeiros passos rumo à maturidade tecnológica, tem girado em torno do qubit, a unidade quântica de informação. Contudo, uma nova geração de sistemas, além do esquema binário, começa a atrair a atenção da comunidade científica. Essa evolução envolve os qutrits (com três estados) e os ququarts (com quatro), que fazem parte de uma categoria mais geral conhecida como qudits.
Uma recente descoberta publicada na revista Nature (2025) introduziu, pela primeira vez, a correção de erros quânticos em qutrits e ququarts, abrindo novas possibilidades para aumentar o desempenho, escalabilidade e eficiência dos computadores quânticos do futuro.
Qudits: uma evolução além do 0 e 1
Na computação quântica, os sistemas mais conhecidos são os qubits, que podem estar em superposição dos estados |0⟩ e |1⟩. Os qudits, por sua vez, expandem essa lógica:
- Qubit: 2 estados (|0⟩, |1⟩)
- Qutrit: 3 estados (|0⟩, |1⟩, |2⟩)
- Ququart: 4 estados (|0⟩, |1⟩, |2⟩, |3⟩)
- Qudit: sistema de d estados quânticos
Esse aumento dimensional permite armazenar mais informação em menos espaço físico, aumentando a densidade lógica da memória quântica e proporcionando uma nova eficiência no design de algoritmos e na arquitetura de hardware.
Por que os qudits ainda não são mais utilizados?
Apesar de seu potencial promissor, os qudits têm sido pouco utilizados devido a diversas razões:
Limitações físicas: muitos sistemas quânticos atuais, como os transmons supercondutores, estão otimizados para trabalhar com apenas dois níveis de energia. Ampliar esses níveis requer maior precisão e controle.
Maior sensibilidade ao ruído: quanto mais níveis são adicionados, menor é a distância energética entre eles, o que aumenta a probabilidade de erros e perda de coerência quântica.
- Complexidade das operações: as portas lógicas quânticas projetadas para qubits não são diretamente compatíveis com qutrits ou ququarts, exigindo um novo modelo de programação e controle.
Avanço-chave: correção de erros em sistemas multivalentes
Recentemente, um grupo de pesquisadores usou um resonador quântico acoplado a um transmon supercondutor para criar estados de qutrit e ququart dentro de uma cavidade de micro-ondas. Através de técnicas de medição fraca e aprendizado por reforço, conseguiram aplicar métodos eficazes de correção de erros em qudits complexos.
Os resultados foram promissores:
- Um qutrit corrigido manteve seu estado quase tanto quanto um qubit não corrigido.
- Um ququart corrigido superou o desempenho do qutrit não corrigido.
- A aplicação da correção de erros aumentou a vida útil da informação quântica em um fator de aproximadamente 1,8.
Isso representa uma validação experimental crítica de que os qudits podem se beneficiar de técnicas de proteção contra erros, assim como os qubits.
Importância para o futuro da computação quântica
Atualmente, o principal desafio para construir computadores quânticos funcionais é a escassez de qubits úteis e o alto nível de ruído. Cada operação requer múltiplos qubits apenas para aplicar correção de erros, dificultando que muitos dispositivos atuais executem algoritmos úteis.
Os qutrits e ququarts oferecem uma solução atraente:
- Mais informação por unidade física: um único qudit pode substituir vários qubits em certas tarefas.
- Menor necessidade de componentes: menos hardware implica menos complexidade e custo.
- Otimização de algoritmos: alguns algoritmos quânticos podem ser reescritos para serem mais eficientes usando qutrits.
- Vantagens em criptografia: canais multivalentes podem ser mais resistentes a interferências ou ataques.
Aplicações em expansão
Embora ainda em fase de pesquisa, os qudits começam a ser considerados em áreas como:
- Criptografia quântica multivalente, melhorando a segurança das comunicações.
- Simulação de sistemas físicos complexos, que naturalmente apresentam mais de dois estados por partícula.
- Computação quântica topológica, onde os estados multivalentes podem proporcionar maior robustez.
Conclusão: um novo horizonte quântico
Embora os qubits devam continuar protagonizando por muitos anos, o desenvolvimento de qutrits e ququarts representa uma evolução lógica e necessária na corrida pela computação quântica prática e escalável. Embora não sejam uma substituição imediata, eles oferecem uma via promissora para superar gargalos críticos. Em um contexto onde cada melhoria conta, aumentar o número de estados por unidade de hardware pode ser a chave para que os computadores quânticos deixem de ser protótipos e se tornem ferramentas úteis para a ciência, a indústria e a sociedade.
