Google descobre como os computadores quânticos podem vencer os melhores supercomputadores da atualidade

Desde que os primeiros computadores quânticos foram idealizados, no início da década de 1980, os investigadores ansiavam pelo dia em que os dispositivos pudessem resolver problemas que são demasiado difíceis para os computadores clássicos. Nos últimos cinco anos, as máquinas começaram finalmente a desafiar os seus primos clássicos – embora a vitória definitiva sobre eles tenha permanecido ilusória.

Agora, no último capítulo da batalha para alcançar esta “vantagem quântica”, os investigadores do Google afirmam ter determinado as condições sob as quais os computadores quânticos podem vencer os seus homólogos clássicos. Para entender essas condições, eles usaram um processador de computador quântico chamado Sycamore para executar amostragem de circuito aleatório (RCS), um algoritmo quântico simples que essencialmente gera uma sequência aleatória de valores.

O computador quântico do Google atinge um marco ponderoso ao reduzir erros

A equipe analisou a saída do Sycamore e descobriu que quando ele funcionava em um modo com muita interferência de ruído durante a execução do RCS, ele poderia ser “falsificado” ou derrotado por supercomputadores clássicos. Mas, quando o ruído foi reduzido a um certo limite, o cálculo do Sycamore tornou-se complexo o suficiente para que falsificá-lo fosse efetivamente impossível - segundo algumas estimativas, o supercomputador clássico mais rápido do mundo levaria dez trilhões de anos. A descoberta, relatado pela primeira vez em uma pré-impressão no servidor arXiv no ano passado, foi publicado hoje em Natureza¹.

Esta é uma demonstração convincente de que o Sycamore é capaz de superar qualquer computador clássico rodando RCS, disseram especialistas quânticos. Natureza. Em 2019, o Google informou que seu computador quântico poderia executar RCS e obter uma vantagem quântica, mas desde então os computadores clássicos têm sido capazes de executar o algoritmo mais rapidamente do que o estimado, eliminando a suposta vantagem. Desta vez, “o Google fez um trabalho muito bom ao esclarecer e abordar muitos dos problemas conhecidos do RCS”, diz Michael Foss-Feig, pesquisador de computação quântica da empresa de software de computador Quantinuum, com sede em Broomfield, Colorado. . E as novas descobertas mostram quanto ruído os computadores quânticos podem ter e ainda superar os computadores clássicos, diz ele.

A competição contínua entre computadores clássicos e quânticos tem sido uma força motriz neste campo, diz Chao-Yang Lu, físico quântico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, em Xangai. Isso motivou os pesquisadores a construir computadores quânticos maiores e de maior qualidade.

O último resultado do Google não significa que os computadores quânticos substituirão os computadores clássicos. Por exemplo, o Sycamore não pode realizar operações típicas de um computador normal, como armazenar fotos ou enviar e-mails. “Os computadores quânticos não são mais rápidos – eles são diferentes”, diz Sergio Boixo, chefe do esforço de computação quântica do Google em Santa Bárbara, Califórnia. O objetivo deles é realizar tarefas classicamente impossíveis - e úteis -, como simular exatamente reações químicas.

Crescimento exponencial

O processador Sycamore é semelhante aos chips de silício que alimentam os laptops comuns, mas é especialmente fabricado para controlar os elétrons que fluem por dele – com precisão quântica. Para reduzir as flutuações de temperatura que destruiriam os estados delicados dos elétrons e introduziriam ruído, o chip é mantido em temperaturas ultrafrias próximas do zero absoluto.

Computador quântico IBM ultrapassa marco de cálculo

Em vez de usar bits clássicos (que são sempre 0 ou 1) como faz um computador normal, o chip quântico depende de qubits, que aproveitam a capacidade dos elétrons de estarem em uma mistura de estados. Um computador quântico pode realizar algumas tarefas com exponencialmente menos qubits do que os bits que um computador clássico precisaria. Por exemplo, para executar o algoritmo RCS, um computador clássico precisaria de 1.024 bits e um computador quântico precisaria de 10 qubits.

Há cinco anos, uma equipe de pesquisadores do Google relatou em Natureza² que para corresponder a uma execução RCS de 200 segundos em seu computador de 53 qubit, um supercomputador clássico levaria 10.000 anos. Quase imediatamente, a afirmação foi criticada; pesquisadores da gigante de tecnologia IBM publicaram uma pré-impressão online³antes da revisão por pares, que sugeria que um supercomputador poderia realmente completar a tarefa em dias. Em junho, Lu e seus colegas usaram poderosos computadores clássicos para falsificar o resultado em pouco mais de um minuto⁴.

O resultado de 2019 do Google não é o único que caiu na falsificação clássica. Em junho de 2023, pesquisadores da IBM e outros relataram evidências⁵ que seu computador de 127 qubits poderia resolver problemas matemáticos potencialmente úteis que estavam “além da computação clássica de força bruta”. Em semanas, vários estudos^6,7 mostrou que as abordagens clássicas ainda poderiam competir.

Alta fidelidade

Boixo e seus colegas queriam entender como o ruído tornava os computadores quânticos vulneráveis ​​à falsificação clássica. Eles descobriram que mesmo pequenas diferenças no ruído do qubit – passando de uma taxa livre de erros de 99,4% para 99,7% – fizeram com que o Sycamore se comportasse como se estivesse em um novo estado, semelhante à transição da matéria de sólido para líquido.

Olá mundo quântico! Google publica reivindicação histórica de supremacia quântica

"O que [the noise] está fazendo, está transformando o sistema em algo mais clássico”, diz Boixo. Depois que uma versão atualizada do Sycamore rodando com 67 qubits ultrapassou um certo limite de ruído, sua saída RCS tornou-se impossível de simular classicamente.

Nos últimos dois anos, as tentativas de vencer os supercomputadores clássicos similarmente se concentraram na redução do ruído dos qubits. Foss-Feig e seus colegas executaram RCS em um computador quântico com 56 qubits de baixo erro⁸. Com qubits melhores, “pelo menos para RCS, os computadores clássicos não conseguem mais acompanhar os computadores quânticos”, diz ele.

Algum dia, os pesquisadores esperam que os computadores quânticos sejam grandes o suficiente e livres de erros para superar a guerra quântica-clássica. Por enquanto, eles vão se contentar com a batalha. Se não se consegue obter vantagem com o RCS, a mais simples das aplicações, Boixo diz: “Não creio que se consiga ganhar em qualquer outra aplicação”.