Um dispositivo quântico fotônico levou microssegundos para fazer uma tarefa que um computador convencional gastaria 9.000 anos

Os computadores quânticos estão superestimados?

Um novo estudo em Natureza diz não. Um dispositivo quântico inteligentemente projetado desenvolvido pela Xanadu, uma empresa com sede em Toronto, Canadá, destruiu computadores convencionais em uma tarefa de referência que, de outra forma, levaria mais de 9.000 anos.

Para o chip quântico Borealis, as respostas chegaram em 36 microsegundos.

A realização de Xanadu é a mais recente a demonstrar o poder da computação quântica sobre os computadores convencionais – uma ideia aparentemente simples apelidada de vantagem quântica.

Teoricamente, o conceito faz sentido. Ao contrário dos computadores convencionais, que calculam em sequência usando bits binários – 0 ou 1 – os dispositivos quânticos exploram a estranheza do mundo quântico, onde 0 e 1 podem existir ao mesmo tempo com probabilidades diferentes. Os dados são processados ​​em qubits, uma unidade evasiva que executa simultaneamente vários cálculos graças à sua física única.

Tradução? Um computador quântico é como um multitarefa hipereficiente, enquanto os computadores convencionais são muito mais lineares. Quando dado o mesmo problema, um computador quântico deve ser capaz de derrotar qualquer supercomputador em qualquer problema em termos de velocidade e eficiência. A ideia, apelidada de “supremacia quântica”, tem sido a força motriz para impulsionar uma nova geração de computadores completamente alheios a qualquer coisa feita anteriormente.

O problema? Provar a supremacia quântica é extremamente difícil. À medida que os dispositivos quânticos saem cada vez mais do laboratório para resolver mais problemas do mundo real, os cientistas estão adotando uma referência intermediária: a vantagem quântica, que é a ideia de que um computador quântico pode vencer um computador convencional em apenas uma tarefa – qualquer tarefa.

Em 2019, o Google quebrou a internet apresentando o primeiro exemplo de um computador quântico, Sycamore, resolvendo um problema computacional em apenas 200 segundos com 54 qubits – em comparação com a estimativa de um supercomputador convencional de 10.000 anos. Uma equipe chinesa logo seguiu com uma segunda vitrine fascinante de vantagem computacional quântica, com a máquina cuspindo respostas que levariam um supercomputador mais de dois bilhões de anos.

No entanto, uma questão crucial permanece: algum desses dispositivos quânticos está perto de estar pronto para uso prático?

Uma reformulação drástica

É fácil esquecer que os computadores dependem da física. Nosso sistema atual, por exemplo, utiliza elétrons e chips inteligentemente projetados para desempenhar suas funções. Os computadores quânticos são semelhantes, mas dependem da física de partículas alternativa. As gerações iniciais de máquinas quânticas pareciam lustres delicados e cintilantes. Embora absolutamente lindos, comparados a um chip compacto de smartphone, eles também são completamente impraticáveis. O hardware geralmente requer climas rigidamente controlados – por exemplo, temperatura próxima do zero absoluto – para reduzir a interferência e aumentar a eficácia do computador.

O conceito central da computação quântica é o mesmo: qubits processando dados em superposição, uma peculiaridade da física quântica que permite codificar 0s, 1s ou ambos ao mesmo tempo. O hardware que suporta a ideia é muito diferente.

O Sycamore do Google, por exemplo, usa loops de metal supercondutores – uma configuração popular entre outros gigantes da tecnologia, incluindo a IBM, que lançou o Eagle, um poderoso chip quântico de 127 qubits em 2021, do tamanho de um quarto. Outras iterações de empresas como Honeywell e IonQ adotaram uma abordagem diferente, explorando íons – átomos com um ou mais elétrons removidos – como sua principal fonte de computação quântica.

Outra ideia se baseia em fótons, ou partículas de luz. Já provou ser útil: a demonstração chinesa de vantagem quântica, por exemplo, usou um dispositivo fotônico. Mas a ideia também foi evitada como um mero trampolim para a computação quântica, em vez de uma solução prática, em grande parte devido a dificuldades de engenharia e configuração.

Uma revolução fotônica

A equipe de Xanadu provou que os opositores estavam errados. O novo chip, Borealis, é ligeiramente semelhante ao do estudo chinês, pois usa fótons – em vez de materiais supercondutores ou íons – para computação.

Mas tem uma grande vantagem: é programável. “Experiências anteriores normalmente se baseavam em redes estáticas, nas quais cada componente é fixado uma vez fabricado”, explicou o Dr. Daniel Jost Brod, da Universidade Federal Fluminense do Rio de Janeiro, no Brasil, que não participou do estudo. A demonstração anterior de vantagem quântica no estudo chinês usou um chip estático. Com o Borealis, no entanto, os elementos ópticos “podem ser facilmente programados”, tornando-o menos um dispositivo de uso único e mais um computador real potencialmente capaz de resolver vários problemas. (O playground quântico está disponível na nuvem para qualquer pessoa experimentar e explorar depois de se inscrever.)

A flexibilidade do chip vem de uma engenhosa atualização de design, um “esquema inovador [that] oferece controle impressionante e potencial de dimensionamento”, disse Brod.

A equipe se concentrou em um problema chamado amostragem de bósons de Gauss, uma referência para avaliar as proezas da computação quântica. O teste, embora extraordinariamente difícil computacionalmente, não tem muito impacto nos problemas do mundo real. No entanto, como o xadrez ou o Go para medir o desempenho da IA, ele atua como um juiz imparcial para examinar o desempenho da computação quântica. É uma espécie de “padrão ouro”: “A amostragem de bósons gaussianos é um esquema projetado para demonstrar as vantagens dos dispositivos quânticos sobre os computadores clássicos”, explicou Brod.

A configuração é como uma tenda de espelho de parque de diversões em um filme de terror. Estados especiais de luz (e fótons) – divertidamente chamados de “estados comprimidos” – são encapsulados no chip incorporado com uma rede de divisores de feixe. Cada divisor de feixe age como um espelho semi-refletivo: dependendo de como a luz incide, ele se divide em várias filhas, com algumas refletindo de volta e outras passando. No final da engenhoca há uma matriz de detectores de fótons. Quanto mais divisores de feixe, mais difícil é calcular como um fóton individual terminará em um determinado detector.

Como outra visualização: imagine uma máquina de feijão, uma placa cravejada de pinos envolta em vidro. Para jogar, você joga um disco nos pinos no topo. À medida que o disco cai, ele atinge aleatoriamente pinos diferentes, eventualmente caindo em um slot numerado.

A amostragem de bósons gaussianos substitui os discos por fótons, com o objetivo de detectar qual fóton cai em qual slot do detector. Devido às propriedades quânticas, as possíveis distribuições resultantes crescem exponencialmente, superando rapidamente quaisquer poderes de supercomputadores. É uma excelente referência, explicou Brod, em grande parte porque entendemos a física subjacente, e a configuração sugere que mesmo algumas centenas de fótons podem desafiar os supercomputadores.

Aceitando o desafio, o novo estudo reinventou um dispositivo quântico fotônico com admiráveis ​​216 qubits. Contrariando os designs clássicos, o dispositivo calculava os fótons em intervalos de tempo de chegada, em vez do padrão anterior de direção. O truque era introduzir loops de fibras ópticas para atrasar os fótons para que pudessem interferir em pontos específicos importantes para a computação quântica.

Esses ajustes levaram a um dispositivo muito reduzido. A grande rede usual de divisores de feixe – normalmente necessária para comunicações de fótons – pode ser reduzida para apenas três para acomodar todos os atrasos necessários para que os fótons interajam e calculem a tarefa. Os designs de loop, juntamente com outros componentes, também são “facilmente programáveis”, pois um divisor de feixe pode ser ajustado em tempo real – como editar código de computador, mas no nível do hardware.

A equipe também fez uma verificação de sanidade padrão, certificando que os dados de saída estavam corretos.

Por enquanto, estudos que mostram de forma confiável a supremacia quântica permanecem raros. Os computadores convencionais têm meio século de vantagem. À medida que os algoritmos continuam evoluindo em computadores convencionais – especialmente aqueles que usam poderosos chips focados em IA ou projetos de computação neuromórfica – eles podem até superar facilmente os dispositivos quânticos, deixando-os lutando para recuperar o atraso.

Mas essa é a graça da perseguição. “A vantagem quântica não é um limite bem definido, baseado em uma única figura de mérito. E, à medida que os experimentos se desenvolvem, também as técnicas para simulá-los – podemos esperar que dispositivos quânticos recordes e algoritmos clássicos em um futuro próximo se revezem em desafiar uns aos outros pelo primeiro lugar”, disse Brod.

“Pode não ser o fim da história”, continuou ele. Mas o novo estudo “é um salto para a física quântica nesta corrida”.

Crédito da imagem: geralt / 24493 imagens

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