Google anunciou que alcançou a Supremacia Quântica

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Cientistas do Google afirmaram que alcançaram finalmente a Supremacia Quântica, um colossal avanço há muito tempo aguardado na computação Quântica. O anúncio, publicado hoje em um estudo na Nature (Ref.1) segue o vazamento de uma versão prévia do artigo há cerca de 5 semanas, sobre o qual não houve comentários do Google.

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Esse é o primeiro feito do tipo alcançado ao redor do mundo, o qual foi realizado por um time de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, e da empresa de tecnologia Google, em Mountain View, Califórnia. O time de pesquisa, liderado pelo Físico Experimental John Martinis, descreveu no estudo a criação de um computador quântico capaz de realizar um cálculo específico muito além das capacidades práticas de computadores tradicionais ('clássicos') e em apenas 200 segundos. O Google estimou que o mesmo cálculo levaria cerca de 10 mil anos para ser completado pelo melhor supercomputador hoje em operação! Isso caracteriza sem sombra de dúvida uma supremacia quântica.

O termo 'supremacia quântica' significa que provas foram obtidas mostrando que os computadores quânticas podem de fato ultrapassar os computadores clássicos. Apesar da vantagem agora provada visar somente um problema matemático em específico e não possuir propósito útil, o novo feito mostra aos cientistas que a mecânica quântica funciona como esperado quando recrutada para a resolução de uma tarefa complexa.

No entanto, a IBM, rival do Google na construção dos melhores computadores quânticos, colocou em xeque a alegação de que demoraria 10 mil anos para um computador tradicional realizar o cálculo - o qual visa uma checagem de resultados de um gerador quântico de números aleatórios. Segundo um estudo para ser ainda publicado na arXiv - está em processo de revisão (Ref.3) -, e realizado por pesquisadores da IBM, o problema pode ser resolvido em apenas 2,5 dias usando uma técnica clássica diferenciada. Aparentemente, eles demonstraram isso no no supercomputador Summit (localizado no Oak Ridge National Laboratories, EUA). Bem, mesmo se a IBM estiver correta, isso ainda não tiraria o mérito do Google de demonstrar que um processador quântico consegue demonstrar uma performance muito melhor do que os computadores tradicionais.

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COMPUTADOR QUÂNTICO

Os computadores quânticos trabalham de uma forma fundamentalmente diferente das máquinas clássicas: enquanto que um bit clássico possui o valor de 1 ou 0, um bit quântico (também chamado de qubit), pode existir em múltiplos estados ao mesmo tempo. Quando os qubits são inextricavelmente ligados, os Físicos podem, em teoria, explorar a interferência entre as ondas associadas aos seus estados quânticos para realizarem cálculos que levariam milhões de anos para serem realizados pelas vias clássicas. Isso teria revolucionário impacto em todas as áreas da ciência, incluindo para a otimização dos modelos climáticos e para a robusta otimização de algoritmos usados em criptografia.

Porém, claro, essas aplicações práticas do processamento quântico ainda estão décadas longe, especialmente porque vários problemas ainda precisam ser superados para a construção dessas máquinas quânticas (1). O principal deles é que quanto mais qubits são ligados juntos, mais difícil é para manter seus frágeis estados quânticos em coordenação enquanto o processador está operando. No caso do processador quântico do Google, apelidado de Sycamore, esse é composto de apenas 54 qubits, cada um deles constituído de loops supercondutores. Para a construção um computador quântico multi-funcional como aqueles que lidamos hoje no dia-a-dia, seriam necessários milhões de qubits.

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(1) Para saber mais sobre o assunto, acesse:

SYCAMORE

O Sycamore foi desafiado com um problema matemático que pedia para o processador descrever a probabilidade de diferentes resultados gerados por uma versão quântica de um gerador aleatório de números. Esse gerador foi construído ao se executar um circuito que passa 53 qubits através de uma série de operações aleatórias. Isso cria sequências (bitstrings) de 53 dígitos com valores '1' ou '0' - {0000101, 1011100, …} -, e um total de 2⁵³ possíveis combinações (apenas 53 qubits do Sycamore foram usados porque um estava danificado). O processo para esse cálculo é tão complexo que o resultado é impossível de ser calculado por princípios lógicos, ou seja, é efetivamente aleatório. Mas devido ao fenômeno de interferência entre os qubits, algumas sequências de números são mais prováveis de ocorrerem do que outras. É como se fosse um dado viciado sendo jogado: apesar de ainda produzir resultados aleatórios, alguns desses resultados são mais prováveis do que outros.

O Sycamore calculou a distribuição de probabilidade ao realizar amostragens no circuito, executando-o 1 milhão de vezes e medindo as sequências resultantes observadas. O processador quântico executou o programa com suficiente baixa taxas de erros. A estratégia utilizada é similar aos experimentos laboratoriais envolvendo quântica, mas com um diferencial: o Sycamore é programável e pode resolver outros padrões de sequências.

Outro desafio foi verificar se a solução encontrada pelo Sycamore foi a correta. Para isso, os pesquisadores compararam os resultados com aqueles de simulações para versões menores e mais simples dos circuitos, algo realizado dessa vez por computadores clássicos. Extrapolando os resultados clássicos, o time do Google estimou que o circuito inteiro demoraria 10 mil anos mesmo em um computador com 1 milhão de unidades processadoras (equivalente a cerca de 100 mil computadores de desktop). Já o Sycamore levou apenas 3 minutos e 20 segundos.

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Agora, o próximo passo dos pesquisadores é usar o computador quântico para resolver uma tarefa útil na prática e também demonstrar a supremacia quântica em um algoritmo que usa um processo conhecido como 'correção de erro' - um método para corrigir erros induzidos por ruídos que caso contrário iriam arruinar um cálculo, algo essencial para estabelecer um computador quântico funcional.

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS