Google revela como os computadores quânticos podem superar os supercomputadores modernos

Google revela como os computadores quânticos podem superar os supercomputadores modernos

Desde que os primeiros computadores quânticos foram concebidos, no início da década de 1980, os pesquisadores esperam pelo dia em que esses dispositivos Pode resolver problemas que são muito difíceis para computadores clássicos. Nos últimos cinco anos, estas máquinas começaram a desafiar as suas contrapartes clássicas - embora a vitória definitiva sobre elas tenha sido até agora ilusória.

Na fase actual da batalha pela chamada “vantagem quântica”, os investigadores da Google afirmam ter determinado as condições sob as quais Computadores quânticos podem superar seus colegas clássicos. Para entender essas condições, eles usaram um processador quântico chamado Sycamore para executar amostragem de circuito aleatório (RCS), um algoritmo quântico simples que produz essencialmente uma sequência aleatória de valores.

A equipe analisou a produção do Sycamore e descobriu que ele poderia ser “enganado” ou derrotado por supercomputadores clássicos em modo de alto ruído durante a execução do RCS. No entanto, quando as perturbações foram reduzidas a um certo limite, o cálculo do Sycamore tornou-se tão complexo que realizar uma paródia era efectivamente impossível - estimou-se que o supercomputador clássico mais rápido do mundo demoraria dez biliões de anos. Essa constatação foi inicialmente em uma pré-impressão relatado no servidor arXiv no ano passado e hoje na Nature 1 publicado.

Os especialistas da Quantum enfatizam que isso representa uma evidência convincente de que o Sycamore é capaz de superar qualquer computador clássico executando RCS. Em 2019, o Google informou que seu computador quântico poderia executar RCS e obter vantagem quântica. Desde então, porém, os computadores clássicos executaram o algoritmo mais rápido do que o estimado, anulando a suposta vantagem. Michael Foss-Feig, pesquisador de computação quântica da empresa de software Quantinuum em Broomfield, Colorado, explica: “O Google fez um excelente trabalho esclarecendo e corrigindo muitos problemas conhecidos com o RCS”. Os novos resultados mostram quanto ruído os computadores quânticos podem ter e ainda superar os computadores clássicos.

A competição contínua entre computadores clássicos e quânticos é um fator determinante neste campo, de acordo com Chao-Yang Lu, físico quântico da Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai. Esta competição motivou os pesquisadores a construir computadores quânticos maiores e de maior qualidade.

No entanto, 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 salvar fotos ou enviar e-mails. Sergio Boixo, chefe do projeto de computação quântica do Google em Santa Bárbara, Califórnia, explica: “Os computadores quânticos não são mais rápidos – eles são diferentes”. Em última análise, destinam-se a realizar tarefas classicamente impossíveis - e úteis -, como simular com precisão reações químicas.

O processador Sycamore é semelhante aos chips de silício que alimentam os laptops comuns, mas é projetado especificamente para controlar os elétrons que fluem através 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 ultrabaixas próximas do zero absoluto.

Em vez dos bits clássicos (que são sempre 0 ou 1), o chip quântico usa qubits, que exploram a capacidade dos elétrons de estarem em uma mistura de estados. Um computador quântico pode realizar algumas tarefas usando exponencialmente menos qubits do que os bits que um computador clássico precisaria. Por exemplo, um computador clássico requer 1.024 bits para executar o algoritmo RCS, enquanto um computador quântico requer apenas 10 qubits.

Há cinco anos, uma equipe de pesquisadores do Google relatou na Nature 2, que um supercomputador clássico levaria 10.000 anos para recriar uma execução RCS de 200 segundos em seu computador de 53 qubit. Quase imediatamente, a afirmação foi criticada; Pesquisadores da gigante de tecnologia IBM publicaram uma pré-impressão online 3, o que sugeria que um supercomputador poderia realmente completar a tarefa em poucos dias. Em junho, Lu e seus colegas usaram poderosos computadores clássicos para falsificar o resultado em pouco mais de um minuto 4.

O resultado de 2019 do Google não é o único afetado pelas falsificações clássicas. Em junho de 2023, pesquisadores da IBM e outros relataram evidências 5 que seu computador de 127 qubits poderia resolver problemas matemáticos potencialmente úteis, que “vão além dos cálculos clássicos brutais”. Em poucas semanas, vários estudos mostraram 6, 7 que as abordagens clássicas poderiam continuar a competir.

Boixo e seus colegas queriam entender como o ruído torna os computadores quânticos vulneráveis ​​às falsificações clássicas. Eles descobriram que mesmo pequenas diferenças na taxa de erro do qubit – de 99,4% livre de erros a 99,7% – fazem com que o Sycamore se comporte como se estivesse em um novo estado, semelhante à forma como a matéria muda de sólida para líquida.

“O que [o ruído] faz é transformar o sistema em algo clássico”, diz Boixo. Depois que uma versão atualizada do Sycamore com 67 qubits excedeu um certo limite de ruído, sua saída RCS tornou-se classicamente impossível de simular.

Nos últimos dois anos, as tentativas de superar os supercomputadores clássicos também se concentraram na redução do ruído dos qubits. Foss-Feig e seus colegas executaram RCS em um computador quântico de 56 qubits com baixa taxa de erro 8 através. Com qubits melhores, diz ele, “os computadores clássicos não podem mais competir com os computadores quânticos, pelo menos em RCS”.

Um dia, os pesquisadores esperam que os computadores quânticos sejam grandes o suficiente e livres de erros para ir além do conflito entre os computadores quânticos e clássicos. Por enquanto, eles estão contentes em lutar. “Se você não consegue obter vantagem no RCS, o mais simples dos aplicativos”, diz Boixo, “não acho que você possa ganhar em qualquer outro aplicativo”.

1. Morvan, A. et al. Natureza 634, 328–333 (2024).

   Artigo Google Acadêmico

2. Arute, F. et al. Natureza 574, 505–510 (2019).

   Artigo PubMed Google Acadêmico

3. Pednault, E., Gunnels, JA, Nannicini, G., Horesh, L. & Wisnieff, R. Pré-impressão em arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. e outros. Pré-impressão no arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Natureza 618, 500–505 (2023).

   Artigo PubMed Google Acadêmico

6. Tindall, J. et al. Pré-impressão no arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Pré-impressão em arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. et al. Pré-impressão no arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

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