O Google realmente alcançou a 'supremacia quântica' com seu novo computador quântico?
Mostrado aqui é um componente de um computador quântico (um refrigerador de diluição), como mostrado aqui em uma sala limpa de uma foto de 2016. Os computadores quânticos alcançariam a Supremacia Quântica se pudessem concluir qualquer cálculo de forma significativamente mais rápida e eficiente do que um computador clássico. Essa conquista, por si só, no entanto, não nos permitirá alcançar todos os sonhos que temos do que a Computação Quântica poderia trazer para a humanidade. (GETTY)
Um computador quântico totalmente programável que pode superar qualquer computador clássico está no limite da tecnologia atual.
No início deste mês, uma nova história vazou: o Google, uma das principais empresas investidas no empreendimento da computação quântica, afirma ter acabado de alcançar a Supremacia Quântica. Embora nossos computadores clássicos - como laptops, smartphones e até supercomputadores modernos - sejam extraordinariamente poderosos, há muitas questões científicas cuja complexidade vai muito além de suas capacidades de força bruta para calcular ou simular.
Mas se pudéssemos construir um computador quântico poderoso o suficiente, é possível que muitos problemas impraticáveis de resolver com um computador clássico sejam subitamente solucionáveis com um computador quântico. Essa ideia, de que os computadores quânticos podem resolver com eficiência uma computação que um computador clássico só pode resolver de forma ineficiente, é conhecida como Supremacia Quântica. O Google realmente fez isso? Vamos mergulhar no problema e descobrir.
A maneira como os dispositivos de armazenamento de estado sólido funcionam hoje é pela presença ou ausência de partículas carregadas em um substrato/porta, o que inibe ou permite os fluxos de corrente, codificando assim um 0 ou um 1. Em princípio, podemos passar de bits para qubits por ter, em vez de uma porta com carga permanente, um bit quântico que codifica um 0 ou 1 quando medido, mas pode existir em uma superposição de estados de outra forma. (E. SIEGEL / TREKNOLOGY)
A ideia de um computador clássico é simples e remonta a Alan Turing e ao conceito de máquina de Turing. Com informações codificadas em bits (ou seja, 0s e 1s), você pode aplicar uma série de operações (como AND, OR, NOT etc.) Alguns desses cálculos podem ser fáceis; outros podem ser difíceis; depende do problema. Mas, em teoria, se você pode projetar um algoritmo para realizar uma computação com sucesso, não importa o quanto seja computacionalmente caro, você pode programá-lo em um computador clássico.
No entanto, um computador quântico é um pouco diferente. Em vez de bits regulares, que são sempre 0 ou 1, um computador quântico usa qubits, ou o análogo quântico de bits. Como acontece com a maioria das coisas, ir para o mundo quântico do mundo clássico significa que precisamos mudar a forma como vemos esse sistema físico específico.
Essa armadilha de íons, cujo projeto é amplamente baseado no trabalho de Wolfgang Paul, é um dos primeiros exemplos de uma armadilha de íons sendo usada por um computador quântico. Esta foto de 2005 é de um laboratório em Innsbruck, na Áustria, e mostra a configuração de um componente de um computador quântico agora desatualizado. Os computadores de armadilha de íons têm tempos computacionais muito mais lentos do que os computadores qubit supercondutores, mas têm escalas de tempo de coerência muito mais longas para compensar. (MNOLF / WIKIMEDIA COMMONS)
Em vez de gravar um 0 ou 1 permanentemente como um bit, um qubit é um sistema mecânico quântico de dois estados, onde o estado fundamental representa 0 e o estado excitado representa 1. (Por exemplo, um elétron pode ter spin para cima ou para baixo; um fóton pode ser canhoto ou destro em sua polarização, etc.) Quando você prepara seu sistema inicialmente, bem como quando você lê os resultados finais, você verá apenas 0s e 1s para os valores de qubits, assim como com um computador clássico e bits clássicos.
Mas, ao contrário de um computador clássico, quando você está realmente realizando essas operações computacionais, o qubit não está em um estado determinado, mas vive em uma superposição de 0s e 1s: semelhante ao gato de Schrodinger simultaneamente parcialmente morto e parcialmente vivo . É somente quando os cálculos terminam e você lê seus resultados finais que você mede qual é o verdadeiro estado final.
Em um experimento tradicional do gato de Schrõdinger, você não sabe se o resultado de um decaimento quântico ocorreu, levando à morte do gato ou não. Dentro da caixa, o gato estará vivo ou morto, dependendo se uma partícula radioativa decaiu ou não. Se o gato fosse um verdadeiro sistema quântico, o gato não estaria nem vivo nem morto, mas em uma superposição de ambos os estados até ser observado. (WIKIMEDIA COMMONS USER DHATFIELD)
Há uma grande diferença entre computadores clássicos e computadores quânticos: previsão, determinismo e probabilidade. Como em todos os sistemas de mecânica quântica, você não pode simplesmente fornecer as condições iniciais do seu sistema e o algoritmo de quais operadores agem nele e então prever qual será o estado final. Em vez disso, você só pode prever a distribuição de probabilidade de como será o estado final e, em seguida, realizando o experimento crítico repetidamente, você pode esperar corresponder e produzir essa distribuição esperada.
Você pode pensar que precisa de um computador quântico para simular o comportamento quântico, mas isso não é necessariamente verdade. Vocês posso simular o comportamento quântico em um computador quântico, mas você também deve ser capaz de simulá-lo em uma máquina de Turing: ou seja, um computador clássico.
Programas de computador com poder computacional suficiente por trás deles podem analisar por força bruta um candidato a primo de Mersenne para ver se ele corresponde a um número perfeito ou não, usando algoritmos que são executados sem falhas em um computador convencional (não quântico). Para números pequenos, isso pode ser feito facilmente; para grandes números, esta tarefa é extremamente difícil e requer cada vez mais poder computacional. (PROGRAMA C++ ORIGINALMENTE DE PROGANSWER.COM)
Esta é uma das ideias mais importantes em toda a ciência da computação: a tese de Church-Turing. Ela afirma que se um problema pode ser resolvido por uma máquina de Turing, ele também pode ser resolvido por um dispositivo computacional. Esse dispositivo computacional pode ser um laptop, smartphone, supercomputador ou até mesmo um computador quântico; um problema que pode ser resolvido por um desses dispositivos deve ser solucionado em todos eles. Isso é geralmente aceito, mas não diz nada sobre a velocidade ou eficiência dessa computação, nem sobre a Supremacia Quântica em geral.
Em vez disso, há outro passo que é muito mais controverso: a tese estendida de Church-Turing. Ele afirma que uma máquina de Turing (como um computador clássico) sempre pode simular eficientemente qualquer modelo computacional, mesmo para simular uma computação quântica inerente. Se você pudesse fornecer um contra-exemplo para isso – se você pudesse demonstrar pelo menos um exemplo em que os computadores quânticos eram muito mais eficientes do que um computador clássico – isso significaria que a Supremacia Quântica foi demonstrada.
O Four Qubit Square Circuit da IBM, um avanço pioneiro em computação, pode um dia levar a computadores quânticos poderosos o suficiente para simular um universo inteiro. Mas o campo da computação quântica ainda está em sua infância, e demonstrar a Supremacia Quântica, hoje, sob quaisquer circunstâncias, seria um marco notável. (PESQUISA IBM)
Este é o objetivo de muitas equipes trabalhando de forma independente: projetar um computador quântico que possa superar um computador clássico por uma margem significativa sob pelo menos uma condição reproduzível. A chave para entender como isso é possível é a seguinte: em um computador clássico, você pode submeter qualquer bit (ou combinação de bits) de informação a várias operações clássicas. Isso inclui operações com as quais você está familiarizado, como AND, OR, NOT, etc.
Mas se você tiver um computador quântico, com qubits em vez de bits, terá várias operações puramente quânticas que podem ser executadas além das clássicas. Essas operações quânticas obedecem a regras particulares que poderiam ser simuladas em um computador clássico, mas apenas com grande custo computacional. Por outro lado, eles podem ser facilmente simulados por um computador quântico com uma condição: que o tempo necessário para realizar todas as suas operações computacionais seja curto o suficiente em comparação com o tempo de coerência dos qubits.
Em um computador quântico, os qubits que estão em um estado excitado (um estado 1) decairão de volta ao estado fundamental (um estado 0) em uma escala de tempo conhecida como tempo de coerência. Se um de seus qubits decair antes de todos os seus cálculos serem executados e você ler sua resposta, isso criará um erro. (GETTY)
Com tudo isso em mente, a equipe do Google tinha um artigo que foi postado brevemente no site da NASA (provavelmente um rascunho inicial de qual será o artigo final) que foi posteriormente removido, mas não antes que muitos cientistas tivessem a chance de ler e fazer o download. . Embora as implicações de suas realizações ainda não tenham sido totalmente resolvidas, veja como você pode imaginar o que eles fizeram.
Imagine que você tenha 5 bits ou qubits de informação: 0 ou 1. Todos eles começam em um estado 0, mas você prepara um estado em que dois desses bits/qubits são excitados para estarem no estado 1. Se seus bits ou qubits forem perfeitamente controlados, você poderá preparar esse estado explicitamente. Por exemplo, você pode excitar os números de bit/qubit 1 e 3, caso em que o estado físico do seu sistema será |10100>. Você pode então pulsar em operações aleatórias para agir nesses bits/qubits e espera que o que você obtenha seja uma distribuição de probabilidade específica para o resultado.
Um circuito quântico de 9 qubits, conforme micrografado e rotulado. As regiões cinzentas são de alumínio, as regiões escuras são onde o alumínio é gravado e as cores foram adicionadas para distinguir os vários elementos do circuito. Para um computador como este, que usa qubits supercondutores, o dispositivo deve ser mantido super-resfriado a temperaturas de milikelvin para funcionar como um verdadeiro computador quântico e operar adequadamente apenas em escalas de tempo significativamente abaixo de ~ 50 microssegundos. (C. NEILL ET AL. (2017), ARXIV: 1709.06678V1, QUANT-PH)
A equipe do Google escolheu um protocolo específico para seu experimento tentando alcançar a Supremacia Quântica, exigindo que o número total de bits/qubits excitados (ou o número de 1s) fosse preservado após a aplicação de um número arbitrário de operações. Essas operações são completamente aleatórias, significando que quais bits/qubits são excitados (1) ou no estado fundamental (0) são livres para variar; você precisaria de dois estados 1 e três estados 0 para os cinco exemplos de qubit. Se você não tivesse operações verdadeiramente aleatórias, e se você não tivesse as operações puramente quânticas codificadas em seu computador, você esperaria que todos os 10 estados finais possíveis aparecessem com a mesma probabilidade.
(As dez possibilidades são |11000>, |10100>, |10010>, |10001>, |01100>, |01010>, |01001>, |00110>, |00101> e |00011>.)
Mas se você tiver um computador quântico que se comporta como um verdadeiro computador quântico, não obterá uma distribuição plana. Em vez disso, alguns estados devem ocorrer com mais frequência em um resultado de estado final do que outros, e outros devem ser muito infrequentes. Este é um aspecto contra-intuitivo da realidade que só surge de fenômenos quânticos e da existência de portões puramente quânticos. Podemos simular este fenômeno classicamente, mas apenas com grande custo computacional.
Quando você realiza um experimento em um estado qubit que começa como |10100> e o passa por 10 pulsos de acoplador (ou seja, operações quânticas), você não obterá uma distribuição plana com probabilidades iguais para cada um dos 10 resultados possíveis. Em vez disso, alguns resultados terão probabilidades anormalmente altas e alguns terão probabilidades muito baixas. Medir o resultado de um computador quântico pode determinar se você está mantendo o comportamento quântico esperado ou perdendo-o em seu experimento. (C. NEILL ET AL. (2017), ARXIV: 1709.06678V1, QUANT-PH)
Se aplicássemos apenas as portas clássicas permitidas, mesmo com um computador quântico, não obteríamos o efeito quântico. No entanto, podemos ver claramente que a distribuição de probabilidade que realmente obtemos não é plana, mas que alguns possíveis estados finais são muito mais prováveis do que os 10% que você esperaria ingenuamente, e alguns são muito menos prováveis. A existência desses estados de probabilidade ultrabaixa e ultra alta é um fenômeno puramente quântico, e as chances de você obter esses resultados de baixa e alta probabilidade (em vez de uma distribuição plana) é uma importante assinatura do comportamento quântico .
No campo da computação quântica, as chances de obter pelo menos um estado final que exiba uma probabilidade muito baixa de aparecer devem seguir uma distribuição de probabilidade específica: a distribuição de Porter-Thomas. Se o seu computador quântico fosse perfeito, você poderia realizar quantas operações quisesse pelo tempo que quisesse e, em seguida, ler os resultados para ver se o seu computador seguia a distribuição de Porter-Thomas, conforme o esperado.
A distribuição de Porter-Thomas, mostrada aqui para 5, 6, 7, 8 e 9 qubits, traça as probabilidades de alcançar certos resultados na distribuição de probabilidade dependente do número de qubits e estados possíveis. Observe a linha reta, que indica os resultados quânticos esperados. Se o tempo total necessário para executar seu circuito quântico for muito longo, você obterá um resultado clássico: exemplificado pelas linhas verdes curtas, que definitivamente não seguem a distribuição de Porter-Thomas. (C. NEILL ET AL. (2017), ARXIV: 1709.06678V1, QUANT-PH)
Praticamente, porém, os computadores quânticos não são perfeitos. Qualquer sistema quântico, não importa como esteja preparado (a equipe do Google usou qubits supercondutores, mas outros computadores quânticos, usando pontos quânticos ou armadilhas de íons, por exemplo, também são possíveis), terá um tempo de coerência: o tempo que você pode esperar um qubit preparado em um estado excitado (ou seja, 1) para permanecer nesse estado. Além desse tempo, ele deve decair de volta ao estado fundamental, ou 0.
Isso é importante, porque requer uma quantidade finita de tempo para aplicar um operador quântico ao seu sistema: conhecido como tempo de porta. O tempo de porta deve ser muito curto em comparação com a escala de tempo de coerência, caso contrário, seu estado pode decair e seu estado final não fornecerá o resultado desejado. Além disso, quanto mais qubits você tiver, maior será a complexidade do seu dispositivo e maior a probabilidade de introdução de erros de crosstalk entre qubits. Para ter um computador quântico livre de erros, você deve aplicar todos os seus portões quânticos ao conjunto completo de qubits antes que o sistema seja descoerente.
Os qubits supercondutores permanecem estáveis apenas por ~ 50 microssegundos. Mesmo com um tempo de porta de ~ 20 nanossegundos, você só pode esperar realizar algumas dezenas de cálculos, no máximo, antes que a decoerência arruíne seu experimento e lhe dê a temida distribuição plana, perdendo o comportamento quântico que buscamos tão completamente.
Esta configuração idealizada de cinco qubits, onde o circuito inicial é preparado com os qubits 1 e 3 no estado inicial, está sujeito a 10 pulsos independentes (ou portas quânticas) antes de produzir um resultado de estado final. Se o tempo total gasto passando pelas portas quânticas for muito menor que o tempo de coerência/decoerência do sistema, podemos esperar alcançar os resultados computacionais quânticos desejados. Caso contrário, não podemos realizar o cálculo em um computador quântico atual. (C. NEILL ET AL. (2017), ARXIV: 1709.06678V1, QUANT-PH)
O problema que os cientistas do Google resolveram com seu computador de 53 qubits não foi um problema útil em nenhum aspecto. Na verdade, a configuração foi projetada especificamente para ser fácil para computadores quânticos e computacionalmente muito cara para os clássicos. A maneira como eles refinaram isso foi fazer um sistema de n qubits, que requer na ordem de 2^n bits de memória em um computador clássico para simular e escolher operações que são tão computacionalmente caras quanto possível para um computador clássico.
O algoritmo original apresentado por uma colaboração de cientistas, incluindo muitos da atual equipe do Google, exigia um computador quântico de 72 qubits para demonstrar a Supremacia Quântica. Como a equipe ainda não conseguiu isso, eles voltaram ao computador de 53 qubits, mas substituiu um portão quântico (CZ) fácil de simular por outro portão quântico: o portão fSim (que é uma combinação do CZ com o portão iSWAP ), que é computacionalmente mais caro para simular para um computador clássico.
Diferentes tipos de portas quânticas exibem várias fidelidades (ou a porcentagem de portas sem erros), dependendo do tipo de porta escolhida, e também exibem várias despesas computacionais para computadores clássicos. Uma tentativa mais antiga de Supremacia Quântica usava portas CZ e exigia 72 qubits; o uso de mais portas do tipo iSWAP permitiu que a equipe do Google alcançasse a Supremacia Quântica com apenas 53 qubits. (NATURE FOTONICS, VOLUME 12, PÁGINAS 534–539 (2018))
Há uma esperança de longo prazo para aqueles que desejam preservar a tese estendida de Church-Turing: talvez com um algoritmo computacional inteligente o suficiente, possamos diminuir o tempo computacional para esse problema em um computador clássico. Parece improvável que isso seja plausível, mas é o único cenário que poderia revogar o que parece ser a primeira conquista da Supremacia Quântica.
Por enquanto, porém, a equipe do Google parece ter alcançado a Supremacia Quântica pela primeira vez: resolvendo esse problema matemático específico (e provavelmente não útil na prática). Eles realizaram essa tarefa computacional com um computador quântico em um tempo muito mais rápido do que o maior e mais poderoso supercomputador (clássico) do país. Mas alcançar a Supremacia Quântica útil nos permitiria:
- fazer cálculos de química quântica e física quântica de alto desempenho,
- substituir todos os computadores clássicos por computadores quânticos superiores,
- e para correr Algoritmo de Shor para números arbitrariamente grandes.
A Supremacia Quântica pode ter chegado; A supremacia quântica útil ainda está longe de ser alcançada. Por exemplo, se você quiser fatorar um número semiprimo de 20 dígitos, o computador quântico do Google não poderá resolver esse problema. Seu laptop de prateleira, no entanto, pode fazer isso em milissegundos.
O processador Sycamore, que é uma matriz retangular de 54 qubits conectada a seus quatro vizinhos mais próximos com acopladores, contém um qubit inoperável, levando a um computador quântico efetivo de 53 qubits. A imagem óptica mostrada aqui ilustra a escala e a cor do chip Sycamore como visto na luz óptica. (GOOGLE AI QUANTUM E COLABORADORES, RECUPERADO DA NASA)
O progresso no mundo da computação quântica é surpreendente e, apesar as reivindicações de seus detratores , sistemas com maior número de qubits estão, sem dúvida, no horizonte. Quando a correção de erros quântica bem-sucedida chegar (o que certamente exigirá muito mais qubits e a necessidade de abordar e resolver vários outros problemas), poderemos estender a escala de tempo de coerência e realizar cálculos ainda mais aprofundados. Como a própria equipe do Google observou,
Nosso experimento sugere que um modelo de computação pode agora estar disponível que viola [a tese estendida de Church-Turing]. Realizamos amostragem aleatória de circuitos quânticos em tempo polinomial com um processador quântico realizado fisicamente (com taxas de erro suficientemente baixas), mas não se conhece nenhum método eficiente para máquinas de computação clássicas.
Com a criação do primeiro computador quântico programável que pode executar com eficiência um cálculo em qubits que não pode ser realizado com eficiência em um computador clássico, a Supremacia Quântica chegou oficialmente. Ainda este ano, a equipe do Google certamente publicará esse resultado e será elogiada por sua extraordinária conquista. Mas nossos maiores sonhos de computação quântica ainda estão muito distantes. É mais importante do que nunca, se queremos chegar lá, continuar avançando as fronteiras o mais rápido e longe possível.
Recursos e informações adicionais podem ser encontrados em Revista Quanta , a Financeiro Horários , Scott Aaronson , e esta publicação de 2017 .
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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