O Google mostra novamente superioridade quântica – os computadores quânticos estão mais próximos de aplicações práticas

Um grupo de cientistas liderado pelo Google anunciou um avanço no campo da computação quântica. Eles demonstraram novamente a supremacia quântica – a capacidade de um computador quântico de realizar cálculos que um computador clássico não consegue – mas desta vez eles se concentraram na precisão dos cálculos. Os cientistas também mostraram que existem transições de fase nos processos computacionais, o que abre caminho para um maior desenvolvimento de tecnologias quânticas.

Fonte da imagem: Google, Natureza

Em 2019, o Google anunciou que havia alcançado a supremacia quântica, causando acalorado debate na comunidade científica. A IBM questionou então este resultado, argumentando que algoritmos clássicos poderiam ser otimizados para resolver problemas semelhantes. Em um novo artigo publicado na revista Nature, os cientistas descreveram um experimento usando Random Circuit Sampling (RCS), durante o qual o sistema de 67 qubits realizou 32 ciclos de cálculo. A ênfase não está na superioridade quântica, mas no fato de que mesmo na presença de ruído – principal limitação dos processadores quânticos e principal causa de erros computacionais – é possível alcançar avanços computacionais que excedem as capacidades dos sistemas clássicos. Isso prova que a computação quântica está se aproximando da fase de aplicação prática.

O termo “supremacia quântica” causa alguma controvérsia na comunidade científica. Alguns pesquisadores preferem usar os termos Quantum Utility ou Quantum Advantage. O último termo implica não apenas a superioridade teórica dos dispositivos quânticos, mas também os seus benefícios práticos. Ao contrário da supremacia quântica, que não está relacionada à utilidade real das tarefas, a vantagem quântica envolve a execução de tarefas de forma mais rápida e eficiente do que os computadores clássicos.

Os processadores quânticos, apesar do seu potencial, permanecem extremamente sensíveis a ruídos externos, como flutuações de temperatura, campos magnéticos ou mesmo radiação cósmica. Esses ruídos podem reduzir significativamente a precisão dos cálculos. No estudo do Google, os cientistas estudaram o efeito do ruído na operação de dispositivos quânticos e conduziram um experimento que lhes permitiu estudar duas transições de fase principais: uma transição dinâmica que depende do número de ciclos e uma transição de fase quântica que afeta o taxa de erro. Os resultados mostraram que mesmo na presença de ruído, os sistemas quânticos da era NISQ podem atingir uma complexidade computacional além do alcance dos sistemas clássicos.

Transições de fase em amostragem de circuito aleatório (RCS). O gráfico ilustra duas transições de fase. A primeira é de uma distribuição concentrada de sequências de bits em um pequeno número de ciclos para uma distribuição ampla ou anticoncentrada. A segunda é uma transição sob condições de ruído, na qual um alto erro por ciclo leva a uma transição de um sistema com correlação completa para uma representação na forma de vários subsistemas não relacionados.

O método de amostragem de circuito aleatório (RCS) utilizado no experimento já foi criticado por sua simplicidade e aparente inutilidade. No entanto, o Google enfatiza que o RCS é um método chave para avançar em direção a problemas que não podem ser resolvidos em computadores clássicos. Este método otimiza correlações quânticas utilizando operações do tipo iSWAP, o que evita a simplificação de emulações clássicas. Graças a esta abordagem, o Google conseguiu definir claramente os limites das capacidades dos sistemas quânticos, estimulando a competição entre plataformas de computação quântica e clássica.

O estudo também examina as perspectivas para o uso prático de processadores quânticos. Um dos primeiros exemplos seria a geração certificada de números verdadeiramente aleatórios, o que requer alta complexidade computacional e robustez a ruídos. Sergio Boixo, chefe de pesquisa quântica do Google, disse em entrevista à Nature: “Se os dispositivos quânticos não conseguem demonstrar uma vantagem com o RCS, o caso de uso mais simples, então é improvável que consigam fazê-lo em outros problemas”.

Roteiro de computação quântica do Google

O trabalho do Google representa uma contribuição significativa para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. Embora a aplicação prática de dispositivos quânticos continue a ser um desafio, áreas como a geração certificada de números aleatórios podem ser o primeiro passo para a sua utilização comercial. Apesar das dificuldades associadas ao ruído, as experiências do Google mostram que a transição da investigação teórica para aplicações práticas de dispositivos quânticos está a tornar-se cada vez mais possível.