Computador quântico supera todos os computadores convencionais na primeira reivindicação de “supremacia”

Pesquisadores do Google em Santa Barbara, Califórnia, dizem que seu avanço pode levar a aplicações de curto prazo de computadores quânticos. Créditos: iStock / JHVEPhoto.

Por Adrian Cho
Publicado na Science

A era da computação quântica pode ter começado não com uma coletiva de imprensa chamativa, mas com um vazamento na Internet. De acordo com um artigo publicado brevemente – e, presumivelmente, por engano – em um lab site, os físicos do Google utilizaram um computador quântico para realizar um cálculo que superaria o melhor supercomputador convencional do mundo. Embora o cálculo específico não tenha uso conhecido, o resultado mostra que os cientistas passaram por um marco conhecido como “supremacia quântica”.

“É uma grande conquista científica”, diz o físico Chad Rigetti, fundador e CEO da Rigetti Computing em Berkeley e Fremont, Califórnia, que está desenvolvendo seus próprios computadores quânticos. “O Google deu o exemplo”, acrescenta, observando que a empresa detalhou exatamente como demonstraria supremacia quântica alguns anos atrás. Greg Kuperberg, matemático da Universidade da Califórnia, chama o avanço de “um grande passo no sentido de afastar qualquer argumento plausível de que o computador quântico é impossível”.

De acordo com o Financial Times, que divulgou a história, o artigo apareceu na semana passada no site da NASA’s Ames Research Center em Moffett Field, Califórnia; alguns dos pesquisadores são autores do artigo. Os leitores baixaram o trabalho antes que ele desaparecesse e divulgaram online. John Martinis, o físico que lidera a equipe de computação quântica do Google em Santa Barbara, Califórnia, recusou a comentar o artigo, mas outros especialistas acreditam que o trabalho é legítimo.

Um computador quântico visa explorar os aspectos estranhos da mecânica quântica para realizar certos tipos de cálculos que inundariam um computador clássico. Enquanto um computador clássico depende de “bits” de informação que podem ser definidos como zero ou um, um computador quântico emprega qubits que podem ser definidos como zero, um ou – graças à mecânica quântica – qualquer combinação de zero e um ao mesmo tempo. Isso permite que um computador quântico processe uma infinidade de entradas simultaneamente. Por exemplo, um computador quântico de 10 qubit poderia processar 2¹⁰, ou 1024, possíveis entradas de uma só vez, em vez de analisá-las uma por vez.

Mas o poder real de um computador vem de outros fenômenos quânticos. Para certos problemas computacionais, todas as soluções potenciais podem ser consideradas como ondas quânticas que se deslocam simultaneamente entre os qubits. Defina as coisas de maneira certa e essas ondas interferirão umas com as outras, de modo que respostas incorretas se cancelarão e a resposta correta aparecerá. Essa interferência deve permitir que um computador quântico quebre os atuais padrões de criptografia da Internet, fatorando os grandes números subjacentes a eles.

Esse feito exigiria milhares de qubits. Então, Martinis e seus colegas conceberam um problema no qual um computador quântico com apenas dezenas de qubits poderia superar qualquer rival convencional. Os 53 qubits em seus dispositivos consistem em minúsculos circuitos de metal supercondutor que podem estar em um estado de baixa energia para indicar zero, um estado de alta energia para indiciar um ou ambos ao mesmo tempo – pelo menos até ser medido, quando esses estados bidirecionais entrarem em colapso, de um modo ou de outro. Os pesquisadores então fizeram pares de qubits interagirem de várias maneiras através de um conjunto fixo, mas aleatório, de operações.

Tomados em grupo, os qubits produzem qualquer número entre zero e 2⁵³. Graças à interferência quântica causada pelas operações, alguns números devem aparecer com mais frequência do que outros. E à medida que o número de qubits aumenta, calcular a distribuição desigual de saídas se tornaria extremamente difícil para um computador comum. Portanto, se os experimentadores veem o padrão desigual dos números emitidos, eles têm evidências de que seu dispositivo quântico calculou algo que um computador convencional não poderia calcular.

Como em qualquer esforço de computação quântica, a chave consiste em preservar os delicados estados quânticos dos qubits durante todo o processo. Se eles desaparecerem, todas as saídas se tornararão igualmente prováveis. Mas a a equipe do Google relata que conseguiu ver um padrão revelador nos números gerados. Para provar que o padrão não era apenas ruído, os pesquisadores compararam os resultados de ensaios e subgrupos menores de qubits com simulações de supercomputadores. Eles não poderiam fazer isso nas maiores instâncias do problema, no entanto. O que o computador quântico poderia fazer em pouco mais de 3 minutos levaria 10.000 anos para um supercomputador reproduzir, eles estimam.

Alguns pesquisadores dizem que a demonstração não é tanto uma computação como um esforço para elaborar um estado quântico difícil de simular. “Os computadores quânticos não são ‘supremos’ em relação aos computadores clássicos por causa de um experimento de laboratório projetado para… implementar um procedimento de amostragem quântica muito específico, sem aplicações práticas”, diz Dario Gil, diretor da IBM Research em Yorktown Heights, Nova York, que também está desenvolvendo máquinas com qubits supercondutores.

O computador do Google também não tem capacidade de corrigir erros, o que pode ser a chave para criar um computador quântico completo. Isso requer a codificação de um único e mais estável qubit “lógico” em vários menos “físicos” confiáveis para permitir que a máquina mantenha estados quânticos por muito mais tempo, explica Kuperberg. Rigetti, no entanto, observa que as conquistas do Google podem colocar a empresa na posição ideal para demonstrar também essa correção de erros.

Gil exprime outra preocupação há muito mantida por muitos no campo: que, depois de toda euforia em torno da supremacia quântica, a computação quântica possa experimentar uma decepção como a que assolou o campo da inteligência artificial dos anos 1970 até a década atual, quando a tecnologia finalmente alcançou aspirações. No artigo vazado, no entanto, os 76 autores concluem de maneira otimista: “Estamos apenas a um algoritmo criativo das aplicações valiosas de curto prazo”.

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