Olá, mundo quântico! Google publica reivindicação histórica de supremacia quântica

A empresa diz que seu computador quântico é o primeiro a realizar um cálculo que seria praticamente impossível para uma máquina clássica.

O chip Sycamore é composto por 54 qubits, cada um feito de loops supercondutores. Crédito: Erik Lucero.

Por Elizabeth Gibney
Publicado na Nature

Cientistas do Google dizem que alcançaram a supremacia quântica, um marco tão esperado na computação quântica. O anúncio, publicado na revista Nature em 23 de outubro, segue o vazamento de uma versão anterior do artigo, publicado há cinco semanas, que o Google não comentou na época.

No mundo, uma equipe liderada por John Martinis, físico experimental da Universidade da Califórnia, em Santa Barbara, e do Google, em Mountain View, Califórnia, diz que seu computador quântico realizou um cálculo específico que está além das capacidades práticas de máquinas ‘clássicas’¹. O mesmo cálculo levaria cerca de 10.000 anos para ser concluído com o melhor supercomputador clássico, estima o Google.

A supremacia quântica tem sido vista como um marco, porque prova que os computadores quânticos podem superar os computadores clássicos, diz Martinis. Embora a vantagem agora tenha sido comprovada apenas para um caso muito específico, ela mostra aos físicos que a mecânica quântica funciona como esperado quando aproveitada em um problema complexo.

“Parece que o Google nos deu a primeira evidência experimental de que a velocidade quântica é possível em um sistema do mundo real”, diz Michelle Simmons, física quântica da Universidade de New South Wales, em Sydney, Austrália.

Martinis compara o experimento a um programa ‘Olá, mundo’, que testa um novo sistema para exibir essa frase; não é especialmente útil por si só, mas diz ao Google que o hardware e software quântico estão funcionando corretamente, diz ele.

A conquista foi relatada, pela primeira vez, em setembro pela Financial Times e por outros meios de comunicação, depois que uma versão inicial do artigo vazou no site da NASA, que colabora com o Google em computação quântica, antes de ser rapidamente retirado. Naquela época, a empresa não confirmou que havia escrito o artigo e nem comentou a história.

Embora o cálculo que o Google tenha escolhido – verificando os resultados de um gerador de números aleatórios quânticos – tenha aplicações práticas limitadas, “a conquista científica é enorme, supondo que continue, creio eu”, diz Scott Aaronson, cientista teórico da computação na Universidade do Texas, em Austin.

Pesquisadores de fora do Google já estão tentando melhorar os algoritmos clássicos para resolver o problema, na esperança de reduzir a estimativa de 10.000 anos da empresa. A IBM, rival do Google na construção dos melhores computadores quânticos do mundo, relatou em um pré-print em 21 de outubro que o problema poderia ser resolvido em apenas 2,5 dias, utilizando uma técnica clássica diferente². Esse documento não foi revisado por pares. Se a IBM estiver correta, reduziria a façanha do Google em demonstrar uma ‘vantagem’ quântica – fazendo um cálculo muito mais rápido que um computador clássico, mas não algo que esteja além de seu alcance. Isso ainda seria um marco significativo, diz Simmons. “Pelo que sei, é a primeira vez que isso é demonstrado e esse é, definitivamente, um grande resultado”.

Soluções rápidas

Os computadores quânticos funcionam de uma maneira fundamentalmente diferente das máquinas clássicas: um bit clássico é 1 ou 0, mas um bit quântico, qubit, pode existir em vários estados ao mesmo tempo. Quando os qubits estão inextricavelmente ligados, os físicos podem, em teoria, explorar a interferência entre seus estados quânticos semelhantes a ondas para realizar cálculos que, de outra forma, poderiam levar milhões de anos.

Os físicos pensam que os computadores quânticos podem um dia executar algoritmos revolucionários que poderiam, por exemplo, pesquisar bancos de dados pesados ou fatorar grandes números – incluindo, principalmente, aqueles utilizados na criptografia. Contudo, essas aplicações ainda estão distantes em décadas. Quanto mais qubits estiverem vinculados, mais difícil será manter seus estados frágeis enquanto o dispositivo estiver em operação. O algoritmo do Google é executado em um chip quântico composto por 54 qubits, cada um feito de loops supercondutores. No entanto, essa é uma pequena fração dos um milhão de qubits que podem ser necessários para uma máquina de uso geral.

A tarefa que o Google definiu para seu computador quântico é “um pouco estranho”, diz Christopher Monroe, físico da Universidade de Maryland, em College Park. Os físicos do Google resolveram o problema, pela primeira vez, em 2016, e ele foi projetado para ser extremamente difícil para um computador comum resolver. A equipe desafiou seu computador, conhecido como Sycamore, a descrever a possibilidade de resultados diferentes de uma versão quântica de um gerador de números aleatórios. Eles fazem isso executando um circuito que passa 53 qubits por uma série operações aleatórias. Isso gera uma sequência de 53 dígitos de 1s e 0s – com um total de 2⁵³ combinações possíveis (apenas 53 qubits foram utilizados porque um dos 54 do Sycamore foi quebrado). O processo é tão complexo que o resultado é impossível de calcular a partir dos primeiros princípios e, portanto, é efetivamente aleatório. Porém, devido à interferência entre os qubits, é provável que algumas séries de números ocorram mais do que outras. Isso é semelhante a rolar um dado carregado – ele ainda produz um número aleatório, mesmo que alguns resultados sejam mais prováveis que outros.

O Sycamore calculou a distribuição de probabilidade amostrando o circuito – executando-o um milhão de vezes e medindo as sequências de saídas observadas. O método é semelhante a rolar o dado para revelar seu viés. Em um sentido, diz Monroe, a máquina está fazendo algo que os cientistas fazem todos os dias: utilizar um experimento para encontrar a resposta para um problema quântico que é impossível de calcular classicamente. A principal diferença, diz ele, é que o computador do Google não é de uso único, mas programável e pode ser aplicado a um circuito quântico com qualquer configuração.

O computador quântico do Google é excelente em verificar as saídas de um gerador de números aleatórios quânticos. Crédito: Erik Lucero.

Verificar a solução foi outro desafio. Para fazer isso, a equipe comparou os resultados com os de simulações de versões menores e mais simples dos circuitos, realizadas por computadores clássicos – incluindo o supercomputador Summit no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee. Extrapolando a partir desses exemplos, a equipe do Google estimou que a simulação do circuito completo levaria 10.000 anos, mesmo em um computador com um milhão de unidades de processamento (equivalente a cerca de 100.000 computadores desktop). O Sycamore levou apenas 3 minutos e 20 segundos.

O Google acredita que suas evidências de supremacia quântica são enigmáticas. Mesmo que pesquisadores externos reduzam o tempo necessário para fazer a simulação clássica, o hardware quântico está melhorando – o que significa que, para esse problema, é improvável que os computadores convencionais os alcancem, diz Hartmut Neven, que dirige a equipe de computação quântica do Google.

Aplicações limitadas

Monroe diz que as conquistas do Google podem beneficiar a computação quântica, atraindo mais cientistas e engenheiros da computação para o campo. Contudo, ele também alerta que as notícias podem criar a impressão de que os computadores quânticos estão mais próximos das aplicações práticas convencionais do que realmente são. “A história na rua é que eles finalmente venceram um computador comum: então, aqui vamos nós, mais dois anos e teremos um em nossa casa”, diz ele.

Na realidade, acrescenta Monroe, os cientistas ainda precisam mostrar que um computador quântico programável pode resolver uma tarefa útil que não pode ser realizada de outra maneira, como calcular a estrutura eletrônica de uma molécula em particular – um problema diabólico que requer modelar várias interações quânticas. Outro passo importante, diz Aaronson, é demonstrar supremacia quântica em um algoritmo que utiliza um processo conhecido como correção de erros – um método para corrigir erros induzidos por ruído que, de outra forma, arruínariam um cálculo. Os físicos acreditam que isso será essencial para que os computadores quânticos funcionem em escala.

O Google está trabalhando em direção a esses dois marcos, diz Martinis, e revelará os resultados de seus experimentos nos próximos meses.

Aaronson diz que o experimento que o Google criou para demonstrar a supremacia quântica pode ter aplicações práticas: ele criou um protocolo para utilizar esse cálculo para provar a um usuário que os bits gerados por um gerador de números aleatórios quânticos são realmente aleatórios. isso pode ser útil, por exemplo, em criptografia e em algumas criptomoedas, cuja segurança depende de chaves aleatórias.

Os engenheiros do Google tiveram que realizar uma série de melhorias em seu hardware para executar o algoritmo, incluindo a construção de novos eletrônicos para controlar o circuito quântico e a criação de uma nova maneira de conectar qubits, diz Martinis. “Essa é realmente a base de como vamos escalar no futuro. Acreditamos que essa arquitetura básica é o caminho a seguir”, diz ele.

Referências

  1. Arute, F. et al. “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor.” Nature 574, 505–510 (2019).
  2. Pednault, E. et al. “Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits.” Preprint at arXiv (2019).
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