O que é supremacia quântica? E por que isso é importante?

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.

Feynmann propôs que os computadores quânticos seriam eficazes na solução 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 avançado do que os computadores clássicos. Ele anuncia a era das barulhentas tecnologias quânticas de escala intermediária.

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

O que exatamente é a supremacia quântica?

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

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

A supremacia quântica é um passo importante no caminho para cálculos mais poderosos e úteis. Várias propostas foram feitas para demonstrar a supremacia quântica. Os mais notáveis ​​são:

• Amostragem da saída de circuitos quânticos aleatórios
• Problemas de loop de cluster frustrados projetados por D-Wave
• Proposta de amostragem de bóson apresentada por Aaronson e Arkhipov

Como podemos ter certeza de que a supremacia quântica foi alcançada?

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

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

1. O dispositivo quântico executa cálculos rapidamente.
2. Nenhum computador clássico poderia realizar com eficiência o mesmo cálculo.

A segunda parte é bastante complicada. Acontece que os computadores clássicos podem executar tipos específicos de problemas de forma muito eficiente (melhor do que as expectativas dos cientistas). Até que se prove que um computador clássico não pode realizar uma tarefa específica com eficácia, sempre existe a chance de que exista um algoritmo clássico melhor e mais eficiente. Provar que não existe tal algoritmo clássico pode ser controverso e pode levar muito tempo.

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A batalha para fazer um computador quântico

Dispositivos quânticos têm funcionado há vários anos, mas eles superam os computadores clássicos apenas sob certas condições. A maioria das tarefas realizadas por essas máquinas quânticas nem mesmo são úteis na vida cotidiana.

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

Chip de teste supercondutor de 17 qubit desenvolvido pela Intel

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

A D-Wave Systems, uma empresa canadense de computação quântica bem financiada, continua sendo 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 tem sistemas subsequentes enviados com 2048 qubits. Seus dispositivos contam com uma técnica alternativa chamada recozimento quântico para resolver problemas muito específicos.

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Grande anúncio do Google

Do nada, no final de 2019, os pesquisadores do Google anunciaram que haviam alcançado a supremacia quântica. Eles desenvolveram um processador de 54 qubit chamado Sycamore que executou o cálculo de destino (um cálculo de amostragem aleatório) em 200 segundos.

De acordo com a equipe de pesquisa, um supercomputador clássico levaria 10.000 anos para realizar os mesmos cálculos. Este aumento substancial na velocidade (em comparação com algoritmos clássicos) é uma realização experimental da supremacia quântica para esta tarefa particular.

O que eles fizeram?

Para demonstrar a supremacia quântica, o Google decidiu resolver um problema específico chamado "amostragem de circuito aleatório". Um exemplo simples desse problema é um programa para simular o lançamento de um dado justo.

O programa será executado com precisão se tiver amostras adequadas 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 fazer uma amostragem adequada de todas as saídas possíveis de um circuito quântico aleatório. Esta sequência de ações é executada em um monte de qubits. Quando os qubits passam por um circuito, seu estado se torna emaranhado (também conhecido como superposição quântica).

Por exemplo, quando um circuito atua em 54 qubits, ele faz com que 54 qubits sejam uma superposição de 2 ⁵⁴ estados possíveis no final do circuito. Isso significa o conjunto de 2 ⁵⁴ possibilidades se reduz em uma seqüência de 54 bits. É como lançar um dado, mas em vez de 6 resultados possíveis, você receberá 2 ⁵⁴ resultados, e nem todos têm a mesma probabilidade de ocorrer.

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

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

Uma vez que eles confirmaram que o sistema está operando corretamente, eles executaram um circuito rígido aleatório com 53 qubits e aumentaram os ciclos de porta, até que chegaram a um ponto em que a simulação clássica se tornou impraticável.

Processo para demonstrar a supremacia quântica | Crédito:Google

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

Para atingir esse nível de desempenho, eles utilizaram um novo tipo de botão de controle que poderia desligar as interações entre qubits próximos, reduzindo significativamente os erros no sistema de qubit multi-conectado. Eles também desenvolveram novas calibrações de controle para evitar defeitos de qubit e otimizaram o design do chip para reduzir a diafonia, o que melhorou ainda mais o desempenho do chip quântico.

O Google realmente alcançou a supremacia quântica?

O chip Sycamore do Google é mantido frio dentro do criostato quântico. Crédito da imagem:Eric Lucero / Google

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

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

Os títulos que contêm alguma variação da "supremacia quântica alcançada" são atraentes e interessantes de ler, mas enganam completamente o público em geral.

De acordo com a definição da supremacia quântica, o objetivo não foi alcançado. E mesmo se alguém demonstrar isso em um futuro próximo, os computadores quânticos nunca serão "supremos" sobre os computadores clássicos. Em vez disso, os sistemas quânticos funcionarão junto com os supercomputadores clássicos, uma vez que cada um tem seus pontos fortes e benefícios exclusivos.

Controvérsia de nomenclatura

Alguns cientistas não concordam com o termo 'supremacia quântica'. De acordo com sua perspectiva, a palavra 'supremacia' tem implicações de violência, neocolonialismo e racismo por meio de sua associação com 'supremacia branca'. Eles sugeriram que a frase alternativa 'quantum vantagem 'deve ser usado em seu lugar.

No entanto, John Preskill, que propôs essa frase, esclareceu que queria enfatizar que este é um momento privilegiado da história em que as tecnologias de informação baseadas em leis quânticas estão em ascensão. Ele também explicou que a "supremacia quântica" capturou melhor o ponto que ele queria transmitir. Outras palavras, como "vantagem", não têm o poder de "supremacia".

Aplicativos e futuro

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

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

As 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 as máquinas quânticas precisarão ser tolerantes a falhas antes de realizar uma tarefa útil.

Essas máquinas prometem uma variedade de aplicações valiosas. Por exemplo, a computação quântica pode melhorar a previsão do tempo, fortalecer a segurança cibernética e ajudar a projetar novos materiais para aviões e baterias leves de veículos. Ele poderia mapear com precisão moléculas individuais, o que, por sua vez, poderia potencialmente abrir oportunidades para a pesquisa farmacêutica.

Também pode ter um forte impacto no setor bancário. A computação quântica pode lidar com questões financeiras relacionadas à otimização da estratégia de investimento, que envolve a análise de um grande número de combinações de portfólio para descobrir os critérios de melhor ajuste ou para reconhecer transações fraudulentas.

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No momento, é difícil prever qual computação quântica da indústria terá mais impacto, porque ela foi testada em um conjunto muito limitado de tarefas. Precisamos ser pacientes por alguns anos (ou mesmo décadas) antes de podermos apreciar todo o esplendor da era quântica.