Supremacia Quântica Explicada: Por Que Importa para o Futuro da Computação

O conceito de sistemas quânticos foi proposto pela primeira vez por um matemático russo, Yuri Manin, em 1980. No entanto, foi Richard Feynman quem concebeu a possibilidade de computadores quânticos no início dos anos 1980.

Feynman propôs que computadores quânticos seriam eficazes na resolução de problemas de química e física. Os computadores de hoje usam lógica binária para realizar tarefas, mas se utilizarmos as regras da mecânica quântica, muitas tarefas computacionais complexas se tornarão viáveis.

Em 2012, um físico teórico americano, John Preskill, cunhou o termo "supremacia quântica" para descrever um sistema muito mais avançado que computadores clássicos. Ele anuncia a era de tecnologias quânticas intermediárias de escala ruidosa (NISQ).

Neste artigo de visão geral, explicamos qual diferença a "supremacia quântica" faria, o que empresas de tecnologia alcançaram até agora, por que é um negócio tão grande. Vamos começar com o básico.

O Que Exatamente é Supremacia Quântica?

Supremacia Quântica é o objetivo de construir um sistema de computação quântica que possa resolver um problema que nenhum computador clássico pode resolver em um tempo razoável.

Isso envolve a tarefa de engenharia para desenvolver uma máquina quântica poderosa, bem como a tarefa teórico-computacional de classificar problemas computacionais que podem ser resolvidos por esse computador quântico.

Supremacia quântica é um passo importante no caminho para computações mais poderosas e úteis. Várias propostas foram feitas para demonstrar supremacia quântica. As mais notáveis são:

• Amostragem da saída de circuitos quânticos aleatórios
• Problemas de loop de cluster frustrado projetados pela D-Wave
• Proposta de amostragem de bósons introduzida por Aaronson e Arkhipov

Como saberemos com certeza que a supremacia quântica foi alcançada?

Verificar a supremacia quântica é uma das tarefas mais complicadas. Não é como uma explosão nuclear ou lançamento de foguete, onde você apenas assiste e sabe instantaneamente se teve sucesso.

Você tem que demonstrar com precisão duas coisas para verificar a supremacia quântica:

1. O dispositivo quântico realiza cálculos rapidamente.
2. Nenhum computador clássico poderia realizar eficientemente o mesmo cálculo.

A segunda parte é bastante complicada. Descobre-se que computadores clássicos podem realizar tipos específicos de problemas muito eficientemente (melhor que as expectativas dos cientistas). Até que se prove que um computador clássico não pode possivelmente realizar uma tarefa particular de forma eficaz, sempre há a chance de que um algoritmo clássico mais eficiente e melhor exista. Provar que não existe tal algoritmo clássico pode ser controverso e levar muito tempo.

A Batalha para Fazer um Computador Quântico

Dispositivos quânticos funcionais existem há vários anos, mas superam computadores clássicos apenas sob certas condições. A maioria das tarefas realizadas por essas máquinas quânticas nem sequer são úteis no dia a dia.

Em 2016, o Google desenvolveu uma simulação quântica totalmente escalável de uma molécula de hidrogênio, usando um chip quântico de 9 qubits. Em 2017, a Intel fabricou um chip de teste supercondutor de 17 qubits para computação quântica, e a IBM elevou a barra com um chip de 50 qubits que podia preservar seu estado quântico por 90 microssegundos.

Chip de teste supercondutor de 17 qubits desenvolvido pela Intel

Em 2018, o Google revelou um processador de 72 qubits chamado Bristlecone, e em 2019, a IBM lançou o primeiro computador quântico comercial baseado em circuitos do mundo, IBM Q System One.

A D-Wave Systems, uma empresa canadense de computação quântica bem financiada, permanece uma exceção. Em 2015, seu computador quântico 2X com mais de 1000 qubits foi instalado no laboratório de inteligência artificial quântica da NASA. A empresa subsequentemente enviou sistemas com 2048 qubits. Seus dispositivos dependem de uma técnica alternativa chamada recozimento quântico para resolver problemas muito específicos.

O Grande Anúncio do Google

Do nada, no final de 2019, pesquisadores do Google anunciaram que haviam alcançado a supremacia quântica. Eles desenvolveram um processador de 54 qubits chamado Sycamore que realizou o cálculo alvo (um cálculo de amostragem aleatória) em 200 segundos.

Segundo a equipe de pesquisa, um supercomputador clássico levaria 10.000 anos para realizar os mesmos cálculos. Este aumento substancial de velocidade (comparado a algoritmos clássicos) é uma realização experimental de supremacia quântica para esta tarefa específica.

O Que Eles Fizeram?

Para demonstrar supremacia quântica, o Google escolheu resolver um problema particular chamado "amostragem de circuito aleatório". Um exemplo simples deste problema é um programa para simular o lançamento de um dado justo.

O programa rodará com precisão se amostrar apropriadamente de todos os resultados possíveis. Isso significa que o programa deve gerar cada número no dado 1/6 do tempo conforme é executado repetidamente.

Em um cenário real, em vez de colocar um dado, um computador precisa amostrar adequadamente de todas as saídas possíveis de um circuito quântico aleatório. Esta sequência de ações é realizada em um conjunto de qubits. Quando qubits passam por um circuito, seu estado se torna entrelaçado (também conhecido como superposição quântica).

Por exemplo, quando um circuito atua em 54 qubits, ele causa 54 qubits a serem uma superposição de 2⁵⁴ estados possíveis no final do circuito. Isso significa que o conjunto de 2⁵⁴ possibilidades colapsa em uma string de 54 bits. É como rolar um dado, mas em vez de 6 resultados possíveis, você obtém 2⁵⁴ resultados, e nem todos são igualmente prováveis de ocorrer.

A série de amostras deste circuito aleatório (seguindo a distribuição adequada) pode ser gerada eficientemente em computadores quânticos. No entanto, não existe algoritmo clássico para produzir essas amostras em supercomputadores de ponta. Portanto, à medida que o número de amostras aumenta, supercomputadores digitais ficam rapidamente sobrecarregados pelos cálculos.

Neste experimento, pesquisadores do Google executaram circuitos simplificados aleatórios de 12 a 53 qubits, mantendo o número de ciclos de portas (portas lógicas quânticas) constante. Eles então usaram simulações clássicas para verificar o desempenho do computador quântico e compararam com um modelo teórico.

Uma vez confirmado que o sistema está operando corretamente, eles executaram circuito aleatório difícil com 53 qubits e aumentaram ciclos de portas, até atingirem um ponto onde a simulação clássica se tornou inviável.

Processo para demonstrar supremacia quântica | Crédito: Google

O experimento foi realizado em um chip de 54 qubits totalmente programável, Sycamore. Ele contém uma grade 2D onde cada qubit conectado a 4 outros qubits, permitindo conectividade suficiente para estados de qubit (para que interajam instantaneamente por todo o processador) e tornando inviável realizar os mesmos cálculos em computadores clássicos.

Para alcançar esse nível de desempenho, eles utilizaram um novo tipo de botão de controle que podia desligar interações entre qubits próximos, reduzindo significativamente erros no sistema multi-conectado de qubits. Também desenvolveram novas calibrações de controle para evitar defeitos de qubit e otimizaram o design do chip para reduzir crosstalk, o que melhorou ainda mais o desempenho do chip quântico.

O Google Realmente Alcançou a Supremacia Quântica?

Chip Sycamore do Google mantido frio dentro do criostato quântico. Crédito: Eric Lucero/Google

Embora o Google alegasse ter alcançado a supremacia quântica e que um supercomputador clássico levaria cerca de 10.000 anos para realizar a tarefa equivalente, a IBM contestou esta alegação, dizendo que uma simulação ideal da mesma tarefa pode ser realizada em um computador clássico em 2,5 dias com fidelidade muito maior.

O experimento do Google não deve ser visto como prova de que dispositivos quânticos são "supremos" sobre computadores clássicos. No entanto, demonstra perfeitamente o progresso na computação quântica baseada em supercondutores, revelando fidelidades de porta de ponta em um sistema de 53 qubits.

Manchetes que contêm alguma variação de "supremacia quântica alcançada" são chamativas e interessantes de ler, mas enganam completamente o público em geral.

Segundo a definição de supremacia quântica, o objetivo não foi atingido. E mesmo que alguém demonstre no futuro próximo, computadores quânticos nunca reinarão "supremos" sobre computadores clássicos. Em vez disso, sistemas quânticos trabalharão junto com supercomputadores clássicos, já que cada um tem seus pontos fortes e benefícios únicos.

Controvérsia do Nome

Alguns cientistas não concordam com o termo "supremacia quântica". Segundo sua perspectiva, a palavra "supremacia" tem conotações de violência, neocolonialismo e racismo através de sua associação com "supremacia branca". Sugeriram que a frase alternativa "vantagem quântica" deveria ser usada em vez disso.

No entanto, John Preskill, que criou esta frase, esclareceu que queria enfatizar que este é um momento privilegiado na história quando tecnologias de informação baseadas em leis quânticas são ascendentes. Também explicou que "supremacia quântica" capturou melhor o ponto que queria transmitir. Outras palavras, como "vantagem", carecem do impacto de "supremacia".

Aplicações e Futuro

Avanços recentes em computação quântica inspiraram uma nova geração de cientistas da computação e físicos a mudar fundamentalmente o aspecto da tecnologia da informação.

Atualmente, cientistas estão trabalhando em máquinas quânticas tolerantes a falhas que seriam capazes de corrigir erros de computação em tempo real, permitindo cálculos quânticos livres de erros. Considerando o estado atual da arte em computação quântica, este objetivo está a vários anos de realização.

Empresas de tecnologia estão investindo centenas de milhões de dólares para desenvolver dispositivos quânticos tolerantes a falhas o mais rápido possível. No entanto, a grande questão é se máquinas quânticas precisarão ser tolerantes a falhas antes de poderem realizar uma tarefa útil.

Tais máquinas prometem uma variedade de aplicações valiosas. Por exemplo, computação quântica poderia melhorar previsão do tempo, fortalecer cibersegurança e ajudar a projetar novos materiais para aviões e baterias leves de veículos. Poderia mapear precisamente moléculas individuais, o que, por sua vez, poderia abrir oportunidades para pesquisa farmacêutica.

Também poderia ter forte impacto no setor bancário. Computação quântica pode lidar com questões financeiras relacionadas à otimização de estratégia de investimento, que envolve analisar um vasto número de combinações de portfólio para descobrir os melhores critérios ou reconhecer transações fraudulentas.

Atualmente, é difícil prever qual indústria a computação quântica impactará mais, porque foi testada em um conjunto muito limitado de tarefas. Precisaremos ser pacientes por alguns anos (ou até décadas) antes de podermos apreciar todo o esplendor da era quântica.