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Google afirma ter atingido a “supremacia quântica”

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

Um chip do computador Sycamore montado na placa de circuito durante o processo de embalagem. Crédito: Google AI Quantum

Cientistas do Google afirmam ter alcançado a chamada supremacia quântica, um marco há muito esperado no campo da computação quântica. O anúncio, publicado na revista Nature em 23 de outubro, veio após o vazamento de uma versão anterior do mesmo artigo há cinco semanas, o qual o Google preferiu não comentar na época.

Em um feito inédito, a equipe liderada por John Martinis, físico experimental da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, e pelo Google, em Mountain View, Califórnia, diz que o computador quântico da empresa realizou um cálculo específico que está bem além das capacidades práticas de máquinas “clássicas”, que operam de forma não quântica. Mesmo usando o melhor supercomputador clássico existente, o mesmo cálculo levaria 10.000 anos para ser concluído, segundo estimativa  do Google.

A supremacia quântica tem sido vista como um grande objetivo por muito tempo, porque prova que computadores quânticos podem superar computadores clássicos, diz Martinis. Embora essa vantagem tenha sido comprovada apenas em um caso muito específico, ela demonstra aos físicos que a mecânica quântica funciona como esperado quando usada para resolver 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, na Austrália.

Martinis compara o novo experimento aos programas do tipo “Olá Mundo!”, que têm como função testar um novo sistema instruindo-o a exibir essa frase de saudação. Por si só, ele não é algo útil, mas informa ao Google se o hardware e o software quânticos estão funcionando corretamente, diz ele.

A conquista foi relatada pela primeira vez em setembro pelo jornal Financial Times e por outros meios de comunicação, depois que uma versão inicial do artigo vazou por um curto período de tempo no site da Nasa, que colabora com o Google em estudos de computação quântica. Naquela época, a empresa não confirmou a existência do artigo, e disse que não comentaria as reportagens.

Embora a tarefa que o Google tenha escolhido (verificar os resultados de um gerador quântico de números aleatórios) tenha aplicações práticas limitadas, “a conquista científica é enorme, supondo que se sustente, o que acredito que vá acontecer”, diz Scott Aaronson, cientista da computação teórico na Universidade do Texas em Austin.

Fora do Google, pesquisadores de todo o mundo já estão tentando melhorar os algoritmos clássicos usados atualmente para fazer a mesma tarefa, na esperança de reduzir a estimativa de 10.000 anos feita pela empresa. A IBM, rival do Google na construção dos melhores computadores quânticos do mundo, relatou em 21 de outubro que o problema poderia ser resolvido em apenas 2,5 dias usando uma técnica clássica alternativa. O artigo não foi revisado por pares. Se a IBM estiver correta, reduziria o feito do Google a uma demonstração de apenas uma “’vantagem” quântica — ou seja, fazer um cálculo muito mais rápido que um computador clássico, mas não algo que seja exclusivo do quântico. Mesmo assim, isso ainda seria um marco significativo, diz Simmons. “Pelo que sei, é a primeira vez que isso é demonstrado, e é definitivamente um grande resultado.”

SOLUÇÕES RÁPIDAS

Os computadores quânticos funcionam de uma maneira fundamentalmente diferente das máquinas clássicas: um bit clássico pode assumir somente dois valores, 1 ou 0. Um bit quântico (qubit), no entanto, pode existir em vários estados ao mesmo tempo. Quando os qubits estão ligados, os físicos podem, em teoria, explorar a interferência entre seus estados quânticos parecidos com ondas para realizar cálculos que, de outra forma, poderiam levar milhões de anos.

Os físicos acreditam que os computadores quânticos possam, no futuro, executar algoritmos revolucionários que poderiam, por exemplo, pesquisar bancos de dados pesados ou fatorar grandes números — incluindo principalmente aqueles usados em criptografia. Mas essas aplicações ainda estão a décadas de distância. Quanto mais qubits estiverem envolvidos, mais difícil será manter seus estados frágeis enquanto o dispositivo estiver em operação. O novo algoritmo do Google é executado em um chip quântico composto por 54 qubits, cada um feito de loops supercondutores. Mas esse é apenas um pequenos número se comparado com os um milhão de qubits que podem ser necessários para uma máquina de uso geral.

A tarefa que o Google deu para seu computador quântico é “um pouco estranha”, diz Christopher Monroe, físico da Universidade de Maryland. 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 quântico, conhecido como Sycamore, a determinar a probabilidade de diferentes resultados acontecerem em uma versão quântica de um gerador de números aleatórios. Eles fizeram isso executando um circuito que passa os 53 qubits por uma série de operações aleatórias. Isso gera uma sequência de 53 dígitos de “1s” e “0s” — com um total de 253 combinações possíveis. (Apenas 53 qubits foram usados ​​porque um dos 54 presentes no Sycamore quebrou.) O processo é tão complexo que o resultado é impossível de calcular a partir de princípios primordiais, 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 viciado — ele ainda produz números aleatórios, mesmo que alguns resultados sejam mais prováveis ​​que outros.

O Sycamore calculou a distribuição de probabilidades por amostras de circuito — ou seja, executou-o um milhão de vezes e mediu os resultados observados. O método é semelhante a rolar um dado várias para revelar seus padrões. Em um sentido, diz Monroe, a máquina está fazendo algo que os cientistas fazem todos os dias: usando um experimento para encontrar a resposta para um problema quântico que é impossível de ser calculado classicamente. A principal diferença, segundo ele, é que o computador do Google não é de uso único, mas sim programável, e pode ser aplicado a um circuito quântico com qualquer configuração.

Verificar a solução foi um outro desafio. Para isso, a equipe comparou os resultados com os de simulações de versões menores e mais simples do circuito, feitas por computadores clássicos — incluindo o supercomputador Summit no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee. Extrapolando a partir desses exemplos, a equipe do Google estima 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 do tipo desktop). O Sycamore levou apenas 3 minutos e 20 segundos.

O Google acha que suas evidências da supremacia quântica são sólidas. Mesmo que pesquisadores de fora reduzam o tempo necessário para fazer a mesma simulação em uma máquina clássica, o hardware quântico está progredindo — 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 a conquista do Google pode beneficiar a computação quântica, atraindo mais cientistas e engenheiros de computação para o campo. Mas ele também alerta que as notícias podem criar a impressão de que os computadores quânticos estão mais próximos de aplicações práticas convencionais do que realmente estão. “A história que contam é que eles finalmente ‘venceram’ um computador comum, como se em dois anos fossêmos ter um desse em nossas casas”, diz ele.

Na realidade, acrescenta Monroe, os cientistas ainda precisam mostrar que um computador quântico pode resolver uma tarefa útil que não possa ser realizada de outra maneira, como calcular a estrutura eletrônica de uma molécula específica — um difícil problema que requer modelar várias interações quânticas. Outro passo importante, diz Aaronson, é demonstrar a supremacia quântica em um algoritmo que usa um processo conhecido como correção de erros — um método para corrigir erros que, de outra forma, arruinariam um cálculo. Os físicos acham que isso será essencial para que os computadores quânticos funcionem em grande escala.

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

Aaronson diz que o experimento que o Google desenvolveu para demonstrar a supremacia quântica pode ter aplicações práticas: ele criou um protocolo para usar esse cálculo a fim de 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 seus hardwares para executar o algoritmo, incluindo a construção de novos eletrônicos para controlar o circuito quântico e o desenvolvimento de uma nova maneira de conectar qubits, diz Martinis. “Essa é a base de como vamos avançar no futuro. Achamos que essa arquitetura básica é o caminho a seguir ”, diz ele.

Elizabeth Gibney

Publicado originalmente na revista Nature e reproduzido com autorização.