O Google anunciou neste outono, com bastante alarde, que havia demonstrado “supremacia quântica” – isto é, executou uma computação quântica específica muito mais rapidamente do que os melhores computadores clássicos poderiam alcançar. A IBM criticou prontamente a alegação, dizendo que seu próprio supercomputador clássico poderia executar o cálculo quase na mesma velocidade com fidelidade muito maior e, portanto, o anúncio do Google deveria ser feito “com uma grande dose de ceticismo”.
Não foi a primeira vez que alguém pôs em dúvida a computação quântica. No ano passado, Michel Dyakonov, físico teórico da Universidade de Montpellier, na França, ofereceu uma série de razões técnicas pelas quais supercomputadores quânticos práticos nunca serão construídos em um artigo do IEEE Spectrum, o principal jornal de engenharia elétrica e de computação.
Então, como você pode entender o que está acontecendo?
Como alguém que trabalhou na computação quântica por muitos anos, acredito que, devido à inevitabilidade de erros aleatórios no hardware, é improvável que algum computador quântico útil seja construído.
O que é um computador quântico?
Para entender o porquê, você precisa entender como os computadores quânticos funcionam, pois são fundamentalmente diferentes dos computadores clássicos.
Um computador clássico usa 0s e 1s para armazenar dados. Esses números podem ser voltagens em diferentes pontos de um circuito. Mas um computador quântico trabalha com bits quânticos, também conhecidos como qubits. Você pode imaginá-las como ondas associadas à amplitude e fase.
Os Qubits têm propriedades especiais: eles podem existir em superposição, onde são ambos 0 e 1 ao mesmo tempo, e podem ser emaranhados para compartilhar propriedades físicas, mesmo que possam ser separados por grandes distâncias. É um comportamento que não existe no mundo da física clássica. A superposição desaparece quando o experimentador interage com o estado quântico.
Devido à superposição, um computador quântico com 100 qubits pode representar 2100 soluções simultaneamente. Para certos problemas, esse paralelismo exponencial pode ser aproveitado para criar uma tremenda vantagem de velocidade. Alguns problemas de quebra de código podem ser resolvidos exponencialmente mais rapidamente em uma máquina quântica, por exemplo.
Existe outra abordagem mais restrita à computação quântica, chamada de recozimento quântico, em que os qubits são usados ??para acelerar problemas de otimização. A D-Wave Systems, com sede no Canadá, construiu sistemas de otimização que usam qubits para esse fim, mas os críticos também afirmam que esses sistemas não são melhores que os computadores clássicos.
Independentemente disso, empresas e países estão investindo enormes quantidades de dinheiro em computação quântica. A China desenvolveu um novo centro de pesquisa quântica no valor de US $ 10 bilhões, enquanto a União Europeia desenvolveu um plano mestre quântico de US $ 1 bilhão (US $ 1,1 bilhão). A Lei Nacional de Iniciativa Quântica dos Estados Unidos fornece US $ 1,2 bilhão para promover a ciência da informação quântica por um período de cinco anos.
Quebrar algoritmos de criptografia é um poderoso fator motivador para muitos países – se eles conseguissem fazer isso com sucesso, dariam a eles uma enorme vantagem de inteligência. Mas esses investimentos também estão promovendo pesquisas fundamentais em física.
Muitas empresas estão pressionando para construir computadores quânticos, incluindo Intel e Microsoft, além do Google e IBM. Essas empresas estão tentando construir hardware que replica o modelo de circuito dos computadores clássicos. No entanto, os sistemas experimentais atuais têm menos de 100 qubits. Para obter um desempenho computacional útil, você provavelmente precisará de máquinas com centenas de milhares de qubits.
Correção de ruído e erro
A matemática que sustenta os algoritmos quânticos está bem estabelecida, mas ainda existem desafios de engenharia assustadores.
Para que os computadores funcionem corretamente, eles devem corrigir todos os pequenos erros aleatórios. Em um computador quântico, esses erros surgem dos elementos do circuito não ideais e da interação dos qubits com o ambiente ao seu redor. Por esses motivos, os qubits podem perder coerência em uma fração de segundo e, portanto, o cálculo deve ser concluído em menos tempo. Se erros aleatórios – inevitáveis ??em qualquer sistema físico – não forem corrigidos, os resultados do computador serão inúteis.
Nos computadores clássicos, o pequeno ruído é corrigido aproveitando-se de um conceito conhecido como limiar. Funciona como o arredondamento de números. Assim, na transmissão de números inteiros, onde se sabe que o erro é menor que 0,5, se o que é recebido é 3,45, o valor recebido pode ser corrigido para 3.
Erros adicionais podem ser corrigidos através da introdução de redundância. Assim, se 0 e 1 são transmitidos como 000 e 111, no máximo um erro de bit durante a transmissão pode ser facilmente corrigido: Um 001 recebido seria interpretado como 0 e um 101 recebido seria interpretado como 1.
Os códigos de correção de erro quântico são uma generalização dos clássicos, mas existem diferenças cruciais. Por um lado, os qubits desconhecidos não podem ser copiados para incorporar redundância como uma técnica de correção de erros. Além disso, os erros presentes nos dados recebidos antes da introdução da codificação de correção de erros não podem ser corrigidos.
Criptografia quântica
Embora o problema do ruído seja um sério desafio na implementação de computadores quânticos, não é assim na criptografia quântica, onde as pessoas lidam com qubits únicos, pois os qubits únicos podem permanecer isolados do ambiente por um período de tempo significativo. Usando criptografia quântica, dois usuários podem trocar números muito grandes, conhecidos como chaves, que protegem os dados, sem que ninguém seja capaz de quebrar o sistema de troca de chaves. Essa troca de chaves poderia ajudar a proteger as comunicações entre satélites e navios navais. Mas o algoritmo de criptografia real usado após a troca da chave permanece clássico e, portanto, teoricamente, a criptografia não é mais forte que os métodos clássicos.
A criptografia quântica está sendo usada comercialmente em um sentido limitado para transações bancárias de alto valor. Mas como as duas partes devem ser autenticadas usando protocolos clássicos, e como uma cadeia é tão forte quanto seu elo mais fraco, não é tão diferente dos sistemas existentes. Os bancos ainda estão usando um processo de autenticação clássico, que poderia ser usado para trocar chaves sem perda de segurança geral.
A tecnologia de criptografia quântica deve mudar seu foco para a transmissão quântica de informações, para se tornar significativamente mais segura do que as técnicas de criptografia existentes.
Desafios da computação quântica em escala comercial
Embora a criptografia quântica seja promissora se os problemas de transmissão quântica puderem ser resolvidos, duvido que o mesmo se aplique à computação quântica generalizada. A correção de erros, que é fundamental para um computador multifuncional, é um desafio tão significativo em computadores quânticos que eu não acredito que eles jamais serão construídos em escala comercial.
Publicado em 04/12/2019
Artigos originais:
- https://www.livescience.com/quantum-supremacy-debate.html
- https://theconversation.com/a-quantum-computing-future-is-unlikely-due-to-random-hardware-errors-126503
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