Os computadores quânticos nunca substituirão totalmente os “clássicos”, como o dispositivo no qual você está lendo este artigo. Eles não navegam em navegadores da Web, ajudam com seus impostos nem transmitem o vídeo mais recente da Netflix.
O que eles vão fazer – pelo que se espera há muito tempo – será oferecer uma maneira fundamentalmente diferente de realizar certos cálculos. Eles poderão resolver problemas que levariam bilhões de anos para um computador clássico rápido. Eles permitirão a simulação de sistemas quânticos complexos, como moléculas biológicas, ou oferecerão uma maneira de fatorar números incrivelmente grandes, quebrando assim formas de criptografia de longa data.
O limite onde os computadores quânticos passam de projetos de pesquisa interessantes a fazer coisas que nenhum computador clássico pode fazer é chamado de “supremacia quântica”. Muitas pessoas acreditam que o projeto de computação quântica do Google o alcançará ainda este ano. Em antecipação a esse evento, criamos este guia para curiosos da computação quântica. Ele fornece as informações que você precisa para entender o que significa supremacia quântica e se elas realmente foram alcançadas.
O que é supremacia quântica e por que é importante?
Para alcançar a supremacia quântica, um computador quântico teria que realizar qualquer cálculo que, para todos os efeitos práticos, um computador clássico não pudesse.
Em certo sentido, o marco é artificial. A tarefa que será usada para testar a supremacia quântica é inventada – mais um truque de sala de estar do que um avanço útil (mais sobre isso em breve). Por essa razão, nem todos os esforços sérios para construir um computador quântico visam especificamente a supremacia quântica. “Supremacia quântica, nós não usamos o termo”, disse Robert Sutor, o executivo encarregado da estratégia de computação quântica da IBM. “Nós não nos importamos com isso.”
Mas, de outras formas, a supremacia quântica seria um divisor de águas na história da computação. No nível mais básico, poderia levar a computadores quânticos que são, de fato, úteis para certos problemas práticos.
Há justificativa histórica para essa visão. Nos anos 90, os primeiros algoritmos quânticos resolveram problemas com os quais ninguém realmente se importava. Mas os cientistas da computação que os projetaram aprenderam coisas que poderiam aplicar ao desenvolvimento de algoritmos subseqüentes (como o algoritmo de Shor para fatorar grandes números) que têm enormes consequências práticas.
“Eu não acho que esses algoritmos teriam existido se a comunidade não tivesse trabalhado primeiro na pergunta ‘em que, em princípio, os computadores quânticos são bons?’ Sem se preocupar com o valor do uso imediatamente”, disse Bill Fefferman, cientista da informação quântica. na Universidade de Chicago.
O mundo da computação quântica espera que o processo se repita agora. Ao construir um computador quântico que supera os computadores clássicos – mesmo para resolver um único problema inútil – os pesquisadores poderiam aprender coisas que lhes permitirão construir um computador quântico mais útil depois.
“Antes da supremacia, há simplesmente uma chance zero de que um computador quântico possa fazer algo interessante”, disse Fernando Brandão, físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia e pesquisador do Google. “A supremacia é um marco necessário”.
Além disso, a supremacia quântica seria um terremoto no campo da ciência da computação teórica. Durante décadas, o campo operou sob uma suposição chamada “tese estendida de Church-Turing”, que diz que um computador clássico pode realizar eficientemente qualquer cálculo que qualquer outro tipo de computador possa executar eficientemente. A supremacia quântica seria a primeira violação experimental desse princípio e, portanto, levaria a ciência da computação a um mundo totalmente novo. “A supremacia quântica seria um avanço fundamental na forma como vemos a computação”, disse Adam Bouland, cientista de informação quântica da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
Como você demonstra a supremacia quântica?
Resolvendo um problema num computador quântico que um computador clássico não consegue resolver eficientemente. O problema pode ser o que você quiser, embora geralmente seja esperado que a primeira demonstração de supremacia quântica envolva um problema específico conhecido como “amostragem aleatória de circuito”.
Um exemplo simples de um problema de amostragem aleatória é um programa que simula o lançamento de um dado justo. Esse programa é executado corretamente quando ele faz uma amostragem adequada dos resultados possíveis, produzindo cada um dos seis números no dado um sexto do tempo à medida que você executa o programa repetidamente.
No lugar de um dado, este problema candidato para a supremacia quântica pede a um computador que prove corretamente as possíveis saídas de um circuito quântico aleatório, que é como uma série de ações que podem ser executadas em um conjunto de bits quânticos ou qubits. Vamos considerar um circuito que atua em 50 qubits. À medida que os qubits passam pelo circuito, os estados dos qubits se entrelaçam, ou se emaranham, no que é chamado de superposição quântica. Como resultado, no final do circuito, os 50 qubits estão em uma superposição de 250 estados possíveis. Se você medir os qubits, o mar de 250 possibilidades entrará em colapso em uma única string de 50 bits. Isso é como rolar um dado, exceto que em vez de seis possibilidades você tem 250 ou 1 quadrilhão, e nem todas as possibilidades têm a mesma probabilidade de ocorrer.
Os computadores quânticos, que podem explorar recursos puramente quânticos como superposições e emaranhamento, devem ser capazes de produzir eficientemente uma série de amostras desse circuito aleatório que segue a distribuição correta. Para os computadores clássicos, no entanto, não há nenhum algoritmo rápido conhecido para gerar essas amostras – assim, à medida que a variedade de amostras possíveis aumenta, os computadores clássicos ficam rapidamente sobrecarregados pela tarefa.
Por que a demora?
Enquanto os circuitos quânticos permanecerem pequenos, os computadores clássicos podem acompanhar o ritmo. Então, para demonstrar a supremacia quântica através do problema de amostragem aleatória de circuitos, os engenheiros precisam ser capazes de construir circuitos quânticos de pelo menos um certo tamanho mínimo – e até agora, eles não podem.
O tamanho do circuito é determinado pelo número de qubits com os quais você começa, combinado com o número de vezes que você manipula esses qubits. Manipulações em um computador quântico são realizadas usando “portões”, assim como estão em um computador clássico. Diferentes tipos de portas transformam qubits de maneiras diferentes – alguns invertem o valor de um único qubit, enquanto outros combinam dois qubits de maneiras diferentes. Se você executar seus qubits através de 10 portas, você diria que seu circuito tem “profundidade” 10.
Não é como um lançamento de foguete ou uma explosão nuclear, onde você apenas assiste e imediatamente sabe se foi bem-sucedido.
Scott Aaronson
Para alcançar a supremacia quântica, os cientistas da computação estimam que um computador quântico precisaria resolver o problema de amostragem aleatória de circuito para um circuito no estádio de 70 a 100 qubits com uma profundidade de cerca de 10. Se o circuito é muito menor que isso, um computador clássico provavelmente ainda conseguiria simulá-lo – e as técnicas clássicas de simulação estão melhorando o tempo todo.
No entanto, o problema que os engenheiros quânticos enfrentam agora é que, à medida que o número de qubits e portas aumenta, também aumenta a taxa de erro. E se a taxa de erro for muito alta, os computadores quânticos perdem sua vantagem em relação aos clássicos.
Existem muitas fontes de erro em um circuito quântico. O mais crucial é o erro que se acumula em um cálculo cada vez que o circuito executa uma operação de porta.
No momento, as melhores portas quânticas de dois qubits têm uma taxa de erro de cerca de 0,5%, o que significa que há cerca de um erro para cada 200 operações. Isso é astronomicamente maior do que a taxa de erro em um circuito clássico padrão, em que há cerca de um erro a cada 1017 operações. Para demonstrar a supremacia quântica, os engenheiros terão que reduzir a taxa de erro dos portões de dois qubits para cerca de 0,1%.
Como saberemos com certeza que a supremacia quântica foi demonstrada?
Alguns marcos são inequívocos. A supremacia quântica não é uma delas. “Não é como um lançamento de foguete ou uma explosão nuclear, onde você apenas observa e imediatamente sabe se foi bem-sucedido”, disse Scott Aaronson, cientista da computação da Universidade do Texas, em Austin.
Para verificar a supremacia quântica, você precisa mostrar duas coisas: que um computador quântico executou um cálculo rápido e que um computador clássico não poderia executar eficientemente o mesmo cálculo.
É a segunda parte que é mais complicada. Os computadores clássicos geralmente são melhores para resolver certos tipos de problemas do que os cientistas da computação esperavam. Até você provar que um computador clássico não pode fazer algo de forma eficiente, há sempre a chance de existir um algoritmo clássico melhor e mais eficiente. Provar que tal algoritmo não existe é provavelmente mais do que a maioria das pessoas precisará para acreditar em uma alegação de supremacia quântica, mas tal afirmação ainda pode levar algum tempo para ser aceita.
Quão perto está alguém para alcançá-lo?
Por muitas contas, o Google está batendo na porta da supremacia quântica e poderia demonstrá-lo antes do final do ano. (Claro, o mesmo foi dito em 2017.) Mas vários outros grupos têm o potencial de alcançar a supremacia quântica em breve, incluindo os da IBM, IonQ, Rigetti e Harvard University.
Esses grupos estão usando várias abordagens distintas para construir um computador quântico. Google, IBM e Rigetti realizam cálculos quânticos usando circuitos supercondutores. IonQ usa íons aprisionados. A iniciativa de Harvard, liderada por Mikhail Lukin, usa átomos de rubídio. A abordagem da Microsoft, que envolve “qubits topológicos”, parece mais um tiro longo.
Cada abordagem tem seus prós e contras.
Circuitos quânticos supercondutores têm a vantagem de serem feitos de um material de estado sólido. Eles podem ser construídos com técnicas de fabricação existentes e executam operações de portões muito rápidas. Além disso, os qubits não se movem, o que pode ser um problema com outras tecnologias. Mas eles também precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas, e cada qubit em um chip supercondutor deve ser calibrado individualmente, o que dificulta a escalabilidade da tecnologia para os milhares de qubits (ou mais) que serão necessários em uma operação realmente útil. computador quântico.
As armadilhas de íons têm um conjunto contrastante de pontos fortes e fracos. Os íons individuais são idênticos, o que ajuda na fabricação, e as armadilhas de íons dão a você mais tempo para realizar um cálculo antes que os qubits fiquem sobrecarregados com o ruído do ambiente. Mas os portões usados ??para operar os íons são muito lentos (milhares de vezes mais lentos que os portões supercondutores) e os íons individuais podem se mover quando você não quer.
No momento, circuitos quânticos supercondutores parecem estar avançando mais rápido. Mas existem sérias barreiras de engenharia que enfrentam todas as diferentes abordagens. Um grande avanço tecnológico novo será necessário antes que seja possível construir o tipo de computadores quânticos com que as pessoas sonham. “Eu ouvi dizer que a computação quântica pode precisar de uma invenção análoga ao transistor – uma tecnologia inovadora que funciona quase sem falhas e que é facilmente escalável”, disse Bouland. “Embora o progresso experimental recente tenha sido impressionante, minha inclinação é de que isso ainda não tenha sido encontrado.”
Diga que a supremacia quântica foi demonstrada. O que agora?
Se um computador quântico alcança a supremacia de uma tarefa planejada, como amostragem aleatória de circuito, a próxima pergunta óbvia é: OK, então quando isso fará algo útil?
O marco de utilidade é por vezes referido como vantagem quântica. “Vantagem quântica é essa ideia de dizer: para um caso real de uso – como serviços financeiros, IA, química – quando você será capaz de ver, e como você poderá ver, que um computador quântico está fazendo algo significativamente melhor do que qualquer referência clássica conhecida? ”disse Sutor, da IBM, que tem vários clientes corporativos como JPMorgan Chase e Mercedes-Benz, que começaram a explorar aplicações dos chips quânticos da IBM.
Um segundo marco seria a criação de computadores quânticos tolerantes a falhas. Esses computadores seriam capazes de corrigir erros dentro de uma computação em tempo real, em princípio permitindo cálculos quânticos sem erros. Mas a principal proposta para a criação de computadores quânticos tolerantes a falhas, conhecida como “código de superfície”, requer uma sobrecarga massiva de milhares de qubits de correção de erros para cada qubit “lógico” que o computador usa para realizar uma computação. Isso coloca a tolerância a falhas muito além do atual estado da arte na computação quântica. É uma questão em aberto se os computadores quânticos precisarão ser tolerantes a falhas antes de poderem realmente fazer algo útil. “Há muitas ideias”, disse Brandão, “mas nada é certo”.
Correção 18 de julho de 2019: O grupo de Mikhail Lukin em Harvard está fazendo um computador quântico de átomos de rubídio controlados com luz laser, não fótons como o artigo originalmente declarado.
Publicado em 21/07/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/quantum-supremacy-is-coming-heres-what-you-should-know-20190718/
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