A computação quântica, um campo com o potencial de poder computacional sem precedentes, tem sido historicamente limitada pela extrema fragilidade de seus componentes essenciais, os qubits. Estes delicados bits quânticos, capazes de existir em múltiplos estados simultaneamente através da superposição, são altamente suscetíveis a interferências ambientais, como vibrações e flutuações de temperatura, que podem corromper instantaneamente seu estado quântico. Essa vulnerabilidade inerente representou um obstáculo significativo no desenvolvimento prático de computadores quânticos confiáveis.
No entanto, uma descoberta inovadora de pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia (USC), liderada pelo Professor Aaron Lauda, oferece uma mudança de paradigma. Ao reexaminar elementos matemáticos anteriormente descartados como insignificantes, a equipe descobriu uma solução denominada "neglectons". Estes "produtos residuais" matemáticos, quando integrados em estruturas de computação quântica existentes, podem transformar a tecnologia quântica atual em uma revolução computacional estável e universalmente capaz. A pesquisa, publicada na Nature Communications, destaca o poder transformador de desafiar normas estabelecidas na busca por avanços científicos.
A abordagem convencional para superar a fragilidade dos qubits explorou a computação quântica topológica, que se baseia nas propriedades únicas de partículas exóticas conhecidas como anyons. Os anyons, ao contrário das partículas comuns, derivam sua estabilidade das restrições geométricas de sistemas bidimensionais, onde suas interações criam informações intrinsecamente protegidas através de complexas estruturas semelhantes a nós. O anyon de Ising, um tipo proeminente de anyon, é particularmente estudado por sua resistência ao ruído ambiental e sua capacidade de armazenar e manipular informações quânticas através de simples trançados. No entanto, os anyons de Ising sozinhos são insuficientes para a computação quântica universal, pois suas operações de trançado são limitadas a um conjunto específico de tarefas.
Essa limitação foi abordada através da teoria de campo quântico topológico não semissimplificativo, um domínio matemático abstrato que estuda simetrias dentro de objetos matemáticos complexos. Tradicionalmente, os matemáticos descartaram elementos com uma "dimensão quântica" zero, considerando-os fisicamente irrelevantes. No entanto, o Professor Aaron Lauda e sua equipe na USC desafiaram essa convenção. Ao desenvolver um novo método para atribuir significado a esses elementos negligenciados, eles transformaram rejeitos matemáticos em valiosos ativos computacionais, dando origem aos "neglectons".
A descoberta crucial é que a adição de um único neglecton a um sistema de anyons de Ising aumenta dramaticamente suas capacidades. Essa adição aparentemente pequena capacita os anyons a realizar qualquer computação quântica através da manipulação de seus emaranhamentos, transformando efetivamente um sistema incompleto em um universal. Crucialmente, esse aprimoramento preserva a estabilidade inerente e a resistência ao ruído dos anyons, estendendo sua utilidade a uma vasta gama de aplicações.
Embora essa descoberta não sinalize o advento imediato de computadores quânticos topológicos em todas as mesas, ela apresenta uma perspectiva revolucionária. Em vez de procurar materiais inteiramente novos ou partículas exóticas, os engenheiros podem agora alavancar sistemas existentes aplicando esse entendimento matemático renovado. Os neglectons exemplificam como avanços teóricos abstratos podem render aplicações práticas profundas, potencialmente destravando todo o potencial da computação quântica ao reabilitar conceitos matemáticos há muito esquecidos. A USC, sob a liderança de Lauda, um renomado especialista em teoria de representação e física teórica, está na vanguarda desta pesquisa. Esta linha de pesquisa, que explora as fronteiras da teoria de campo quântico topológico não semissimplificativo, abre novas avenidas para a realização de computação quântica tolerante a falhas em sistemas com ordem topológica.