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Computadores quânticos, na teoria, podem revolucionar a forma como lidamos com a computação e a própria física quântica. O problema é que, até agora, todas as maravilhas propostas pelas teorias da computação quântica eram apenas isso: teorias. Porém, uma nova conquista anunciada pelo departamento de inteligência artificial quântica da Google hoje mesmo pode ter finalmente nos colocado mais perto da era da computação quântica.
Segundo John Martinis, cientista-chefe de hardware quântico da Google, e Sergio Boixo, cientista-chefe da teoria da computação quântica da Google, o computador quântico deles precisou de apenas 200 segundos para resolver um problema que o supercomputador comum mais rápido do mundo levaria 10.000 anos para resolver.
Ao fazer isso, essa máquina passou em um teste de “supremacia quântica”, o que significa que ele abre uma porta fundamental para o desenvolvimento da computação quântica.
Recentemente, um artigo do jornal Financial Times havia previsto a supremacia quântica atingida pela Google, mas o texto logo foi retirado do ar, o que gerou vários boatos a respeito da veracidade ou não da notícia. Agora, o post do blog da Google Quantum explica todo o processo.
Diferentemente dos computadores clássicos, que usam um sistema binário, a unidade base dos computadores quânticos é o bit quântico, ou qubit, um pedaço de hardware que imita o comportamento de uma partícula subatômica. Os Qubits se comunicam através da teoria da mecânica quântica baseada em probabilidades, em vez das regras regulares da lógica.
Eles ainda são sistemas de duas escolhas que emitem código binário, mas chegar à resposta incorpora as ideias matemáticas quânticas de emaranhamento, superposição e interferência. Essa nova arquitetura pode um dia se destacar ao simular o comportamento das partículas subatômicas o suficiente para criar coisas novas, como medicamentos, motores, foguetes, etc.
Veja abaixo o post traduzido dos pesquisadores da Google no blog do Google Quantum, no qual eles explicam como abriram todo um novo campo de exploração para a computação quântica e atingiram o estado conhecido como supremacia quântica:
“Os físicos têm falado sobre o poder da computação quântica há mais de 30 anos, mas a pergunta sempre foi: será que isso será útil o suficiente para valer o investimento? Para empreendimentos em larga escala, é uma boa prática de engenharia formular objetivos decisivos de curto prazo que demonstrem se os projetos estão indo na direção certa. Por isso, desenvolvemos um experimento como um marco importante para ajudar a responder a essa pergunta.
Esse experimento, referido como um experimento de supremacia quântica, forneceu instruções para que nossa equipe superasse os muitos desafios técnicos inerentes à engenharia de sistemas quânticos para fabricar um computador programável e poderoso. Para testar o desempenho total do sistema, selecionamos uma referência computacional sensível que falha se apenas um único componente do computador não for bom o suficiente.
Hoje (23/10) publicamos os resultados desse experimento de supremacia quântica no artigo da Nature, “Supremacia quântica usando um processador supercondutor programável”. Desenvolvemos um novo processador de 54 qubit, chamado “Sycamore”, composto por portas lógicas quânticas rápidas e de alta fidelidade, para realizar os testes de referência. Nossa máquina executou o cálculo do objetivo em 200 segundos e, a partir de medições em nosso experimento, determinamos que o supercomputador mais rápido do mundo levaria 10.000 anos para produzir um resultado semelhante.
O experimento
Para ter uma ideia de como essa referência funciona, imagine novos entusiastas da computação quântica visitando nosso laboratório para executar um algoritmo quântico em nosso novo processador. Eles podem compor algoritmos a partir de um pequeno dicionário de operações elementares de portas. Como há uma probabilidade de erro em cada porta, nossos convidados desejam limitar-se a uma sequência modesta com cerca de mil portas no total. Supondo que esses programadores não tenham experiência anterior, eles podem criar o que parece essencialmente uma sequência aleatória de portas, que alguém poderia pensar como um programa de boas vindas para um computador quântico. Como não há estrutura em circuitos aleatórios que os algoritmos clássicos possam explorar, a emulação desses circuitos quânticos normalmente exige uma quantidade enorme de esforço clássico de supercomputador.
Cada execução de um circuito quântico aleatório em um computador quântico produz uma cadeia de bits, por exemplo 0000101. Devido à interferência quântica, algumas cadeias de bits têm muito mais probabilidade de ocorrer do que outras quando repetimos o experimento várias vezes. No entanto, encontrar as sequências de bits mais prováveis para um circuito quântico aleatório em um computador clássico se torna exponencialmente mais difícil à medida que o número de qubits (largura) e o número de ciclos de gate (profundidade) aumentam.
No experimento, primeiro executamos circuitos simplificados aleatórios de 12 a 53 qubits, mantendo a profundidade do circuito constante. Verificamos o desempenho do computador quântico usando simulações clássicas e comparamos com um modelo teórico. Uma vez que verificamos que o sistema estava funcionando, executamos circuitos aleatórios com 53 qubits e profundidade crescente, até chegar ao ponto em que a simulação clássica se tornou inviável.
Este resultado é o primeiro desafio experimental contra a tese estendida de Church-Turing, que afirma que os computadores clássicos podem implementar eficientemente qualquer modelo “razoável” de computação. Com a primeira computação quântica que não pode ser razoavelmente imitada em um computador clássico, abrimos um novo domínio da computação a ser explorado.
O processador Sycamore
O experimento de supremacia quântica foi executado em um processador de 54 qubit totalmente programável chamado “Sycamore”. Ele é composto de uma grade bidimensional em que cada qubit está conectado a outros quatro qubits. Como consequência, o chip possui conectividade suficiente para que os estados do qubit interajam rapidamente em todo o processador, fazendo com que seja impossível que o estado geral de emulação seja eficiente em um computador clássico.
O sucesso do experimento de supremacia quântica deveu-se às nossas portas aprimoradas de dois qubit com paralelismo aprimorado, que alcançam com confiabilidade um desempenho recorde, mesmo ao operar muitas portas simultaneamente. Conseguimos esse desempenho usando um novo tipo de botão de controle capaz de desativar as interações entre os qubits vizinhos. Isso reduz muito os erros em um sistema de qubit multi-conectado. Obtivemos mais ganhos de desempenho otimizando o design do chip para reduzir a diafonia e desenvolvendo novas calibrações de controle que evitam defeitos de qubit.
Projetamos o circuito em uma grade quadrada bidimensional, com cada qubit conectado a outros quatro qubits. Essa arquitetura também é compatível com a implementação da correção quântica de erros. Vemos nosso processador Sycamore de 54 qubit como o primeiro de uma série de processadores quânticos cada vez mais poderosos.
Testando a Física Quântica
Para garantir a utilidade futura dos computadores quânticos, também precisamos verificar se não existem obstáculos fundamentais provenientes da mecânica quântica. A física tem uma longa história de testar os limites da teoria por meio de experimentos, pois novos fenômenos geralmente surgem quando se começa a explorar novos regimes caracterizados por parâmetros físicos muito diferentes.
Experimentos anteriores mostraram que a mecânica quântica funciona conforme o esperado até uma dimensão no espaço-estado (todas as possibilidades de configurações e um sistema) de cerca de 1000. Aqui, expandimos esse teste para um tamanho de 10 quadrilhões e descobrimos que tudo ainda funciona como esperado. Também testamos a teoria quântica fundamental medindo os erros de portas de dois qubit e descobrindo que isso prediz com precisão os resultados de referência de todos os circuitos de supremacia quântica. Isso mostra que não há física inesperada que possa prejudicar o desempenho do nosso computador quântico. Portanto, nosso experimento fornece evidências de que computadores quânticos mais complexos devem funcionar de acordo com a teoria e nos fazem sentir confiantes em continuar nossos esforços para aumentar a escala.
Formulários
O computador quântico Sycamore é totalmente programável e pode executar algoritmos quânticos de uso geral. Desde que alcançamos resultados de supremacia quântica na primavera passada, nossa equipe já trabalha em aplicações de curto prazo, incluindo simulação de física quântica e química quântica, além de novas aplicações em aprendizado de máquina generativo, entre outras áreas.
Agora também temos o primeiro algoritmo quântico amplamente útil para aplicações em ciência da computação: aleatoriedade quântica certificável. A aleatoriedade é um recurso importante na ciência da computação, e a aleatoriedade quântica é o padrão-ouro, especialmente se os números puderem ser auto-verificados (certificados) como provenientes de um computador quântico. O teste desse algoritmo está em andamento e, nos próximos meses, planejamos implementá-lo em um protótipo que possa fornecer números aleatórios certificáveis.
O que vem agora?
Nossa equipe tem dois objetivos principais no futuro, ambos no sentido de encontrar aplicativos valiosos na computação quântica. Primeiro, no futuro, disponibilizaremos nossos processadores de classe supremacia quântica para colaboradores e pesquisadores acadêmicos, além de empresas interessadas em desenvolver algoritmos e procurar aplicativos para os processadores NISQ atuais. Pesquisadores criativos são o recurso mais importante para a inovação – agora que temos um novo recurso computacional, esperamos que mais pesquisadores entrem em campo motivados, tentando inventar algo útil.
Segundo, estamos investindo em nossa equipe e tecnologia para construir um computador quântico tolerante a falhas o mais rápido possível. Esse dispositivo promete várias aplicações valiosas. Por exemplo, podemos imaginar a computação quântica ajudando a projetar novos materiais – baterias leves para carros e aviões, novos catalisadores que podem produzir fertilizantes com mais eficiência (um processo que hoje produz mais de 2% das emissões de carbono do mundo) e medicamentos mais eficazes. Alcançar as capacidades computacionais necessárias ainda exigirá anos de engenharia e trabalho científico, mas agora vemos um caminho claro e estamos ansiosos para seguir em frente”. [Google Quantum, Gizmodo]
