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Computador quântico de fótons atinge marca importante

O sistema de amostragem de bósons é um outro caminho para se atingir a chamada “supremacia quântica”

Shutterstock

Em meio a corrida para criar um computador quântico que possa superar o computador tradicional, um método que utiliza partículas de luz (fótons) registrou um avanço promissor. Jian-Wei Pan e Chao-Yang Lu, ambos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, aprimoraram uma técnica de computação quântica chamada amostragem de bósons para atingir um recorde de 14 fótons detectados em seus resultados finais. Experimentos anteriores ficaram limitados a apenas cinco fótons detectados.

O aumento no número de partículas é pequeno, mas equivale a um ganho de 6,5 bilhões de vezes no chamado “espaço de estados” — o número de configurações possíveis em um sistema de computador. Quanto maior o espaço de estados, menor a probabilidade de que um computador tradicional, ou clássico, possa executar o mesmo cálculo.

O resultado foi relatado em um artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv.org em 22 de outubro, e ainda não foi revisado por pares. Mas, se confirmado, seria um marco importante na corrida pela supremacia quântico-computacional — uma linha de chegada difícil de identificar, definida como o ponto em que os computadores quânticos superam os melhores modelos clássicos.

O TABULEIRO DE GALTON

Nos computadores clássicos, as informações são codificadas em bits binários, ou seja, dois bits podem ser 00, 01, 10 ou 11. Um computador quântico pode estar em todos os estados clássicos simultaneamente: dois qubits têm certa probabilidade de serem 00, 01, 10 ou 11 até que sejam medidos. Três qubits têm probabilidade de estar em qualquer um dos oito estados; e assim por diante. Esse aumento exponencial de informação ilustra por que os computadores quânticos têm tanta vantagem — pelo menos em teoria.

Nas últimas semanas, a corrida pela supremacia quântica atingiu um ritmo vertiginoso. O computador quântico do Google realizou uma operação em 200 segundos que levaria 10 mil anos para ser feita em um computador clássico, segundo os cientistas da empresa. Pesquisadores da empresa IBM, que também estão trabalhando em um computador quântico, questionaram esse cálculo, sugerindo que um computador clássico poderia resolver o mesmo problema em menos de três dias.

Pan e Lu argumentam em seu trabalho que a técnica desenvolvida por eles é outro possível caminho para atingir a supremacia quântica. “Não tenho certeza disso — parece difícil”, diz Scott Aaronson, cientista da computação teórico da Universidade do Texas em Austin, que não participou da pesquisa. “Mas, como co-inventor da amostragem de bósons, estou satisfeito em ver que há progresso nesse caminho também”.

A amostragem de bósons pode ser entendida como uma versão quântica de um dispositivo clássico chamado Tabuleiro de Galton. Nesse mecanismo, várias pequenas bolas são jogadas verticalmente em fileiras de pinos, batendo nos obstáculos e caindo em buracos na parte inferior. O movimento aleatório das bolas normalmente leva a uma distribuição padrão nas lacunas inferiores: a maioria das bolas cai perto do centro, e uma menor quantidade cai nos lados. Computadores clássicos podem simular facilmente movimentos aleatórios para prever esse resultado.

Representação do Tabuleiro de Galton/Shutterstock

A amostragem de bósons substitui as bolinhas por fótons, e os pinos por dispositivos ópticos, como espelhos e prismas. Os fótons são disparados através da matriz e pousam em um “slot” no final, onde detectores registram sua presença. Devido às propriedades quânticas dos fótons, um dispositivo com apenas 50 ou 60 fótons poderia produzir tantas distribuições diferentes que computadores clássicos levariam bilhões e bilhões de anos para prevê-las.

Mas a amostragem de bósons consegue prever esses resultados ao executar de fato a tarefa. Dessa maneira, a técnica é tanto o próprio problema como o computador quântico capaz de resolvê-lo.

Aaronson e seu então aluno Alex Arkhipov propuseram a amostragem do bósons em 2010, mas ela ficou para trás em relação a outros métodos de computação quântica que usam qubits físicos, como as técnicas escolhidas pelo Google e pela IBM. Parte do problema é sua utilidade limitada. “Um computador universal pode resolver qualquer tipo de problema”, diz Jonathan Dowling, físico teórico da Universidade Estadual de Louisiana, que não participou da pesquisa. “Essa técnica só pode resolver um tipo.” Mas mesmo resolver um único problema mais rapidamente que um computador clássico já contaria como uma demonstração da supremacia da computação quântica.

UMA CORRIDA DE CAVALOS

Projetar o experimento é mais fácil do que realizá-lo, no entanto. No Twitter, Lu compartilhou uma imagem da configuração experimental de sua equipe: uma mesa coberta por dispositivos metálicos brilhantes e densamente compactados. A maior dificuldade na prática é o tempo: a equipe precisou produzir fótons individuais separadamente e simultaneamente. “Os fótons não vão ficar esperando pelos outros, então você precisa gerar todos os fótons ao mesmo tempo”, diz Alexandra Moylett, pesquisadora de computação quântica na Universidade de Bristol, na Inglaterra, que também não participou do novo trabalho.

Se os fótons chegarem no objetivo com alguns bilionésimos de segundo de diferença, eles são “perdidos”. Cada fóton no sistema aumenta a chance de que haja fótons fora de sincronia. Quanto mais fótons são perdidos, mais fácil é para um computador clássico simular a distribuição das partículas, e mais distante fica a supremacia computacional quântica. Lu diz que o aumento de 14 fótons detectados foi graças a uma fonte de fótons extremamente precisa. “Esse é o ingrediente mágico”, diz Dowling. “Caso contrário, a equipe não seria capaz de fazer isso.”

Embora os pesquisadores tenham detectado apenas 14 dos 20 fótons de entrada, esse número foi suficiente para gerar um espaço de estados difícil de calcular. Para entender o porquê, considere o formato simples do jogo da velha, onde o espaço de estados é 19.683, ou 3 elevado a nona potência, porque cada um dos nove quadrados tem três possibilidades: um espaço em branco, um X ou um O. O melhor estudo de espaço de estados com bósons até então teve uma amostragem de 15.504, enquanto o do experimento de Pan e Lu foi de aproximadamente 100 trilhões. Em um post no Twitter, Lu afirmou que, em cerca de um ano, sua equipe aumentará o número de fótons para algo entre 30 e 50.

Ainda não está claro se o método de amostragem de bósons possa ter seu uso ampliado de modo a atingir a supremacia computacional quântica. Muitas pessoas já reivindicaram este título e foram questionadas — algumas envolvidas com empresas multimilionárias. “A supremacia quântica é como uma corrida de cavalos, só que você não sabe o quão rápido é o seu cavalo, e também não sabe o quão rápido é o cavalo do outro. E alguns cavalos são cabras”, diz Dowling. Mas esse resultado, ele esclarece, não é uma cabra.

Daniel Garisto