Bem-vindo à era quântica
Em um artigo de 2012, John Preskill, um físico teórico, fez a seguinte pergunta: "A evolução de sistemas quânticos em larga escala é simplesmente muito, muito difícil ou é ridiculamente difícil?" Sete anos depois temos a resposta: é muito, muito difícil.
Recentemente, um trabalho de pesquisa sobre o assunto apareceu online por um período muito curto e fortuito. A "Nature", uma revista científica de alto nível, concordou em publicar o artigo que, no entanto, no momento da publicação temporária, ainda era confidencial.
O jornal revelou que o Google alcançou o que Preskill chamou de "supremacia quântica". Usando um computador quântico, pesquisadores da gigante da Internet realizaram em três minutos um cálculo que teria exigido do Summit, o atual supercomputador IBM mais poderoso do mundo, 10.000 mil anos de processamento.
Uma expressão definitiva da supremacia quântica. É consenso que este documento confidencial realmente representa um marco na história da tecnologia.
Poderia ser um divisor de águas entre duas eras: um "antes", quando os computadores quânticos superavam os de silício, e um "depois", quando isso realmente aconteceu. Até agora tem havido muita conversa sobre a segunda era. agora chegou
Um grande salto em frente
O experimento do Google consistiu em realizar a "amostragem de circuito". o teste verifica se o processamento realizado pela máquina, a partir de entradas aleatórias, pode se adaptar a um modelo específico.
Essa tarefa bastante bizarra foi escolhida para atender às especificidades de um computador quântico, mas também para comparar o mesmo processamento em um computador clássico.
Um experimento de pouca relevância prática, mesmo que haja uma crença generalizada de que os computadores quânticos, com o tempo, poderão dar conta de assuntos de importância prática e mais normais para a vida das pessoas comuns.
Isso pode estar relacionado ao design de novos medicamentos e materiais ou aprendizado de máquina. Além disso, podem tornar obsoletos os códigos criptográficos que hoje protegem os segredos do mundo.
De bits a qubits
Os computadores quânticos empregam três conceitos. Uma delas é a "superposição quântica", ou seja, a ideia por trás do famoso gato vivo e morto de Schrödinger. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem ter dois estados – um ou zero – os qubits podem ser uma combinação de ambos.
A máquina do Google, por exemplo, tem 53 qubits, que entre eles podem representar quase dez milhões de possíveis estados sobrepostos.
O segundo é o “emaranhamento”. Ele une as partículas quânticas através do tempo e do espaço. Nos computadores padrão, cada bit está estritamente relacionado ao estado do próximo.
Os qubits na computação quântica são altamente interligados. Operações matemáticas em qubits sobrepostos e emaranhados podem atuar simultaneamente, em maior ou menor grau, em todos os qubits em um único processo computacional.
Como funciona um computador quântico
Uma computação quântica começa abordando os qubits um por um. Para simplificar o máximo possível, pode-se dizer que transforma um qubit em um ou zero e depois o cruza com seu vizinho. Feito isso, ele permite que as regras da física quântica funcionem com os estados e ligações de qubits que evoluem ao longo do tempo.
Finalmente (mas não antes, pois isso estragaria o cálculo), os qubits são examinados simultaneamente para uma resposta.
O trabalho principal é identificar a resposta certa entre um bilhão de incorretas. É aqui que entra em jogo a terceira ideia, a contra-intuitiva.
Na física clássica, as probabilidades devem ser expressas em números positivos. Digamos que haja 30% de chance de chuva. A mecânica quântica usa um conceito relacionado chamado "amplitudes". Estes podem ser tanto negativos como positivos.
Você tem que fazer com que as amplitudes que representam as respostas erradas se anulem, enquanto as que representam as corretas emergem. Desta forma, os desenvolvedores podem abordar com uma aproximação aceitável para a solução correta.
Em laboratório é mais complexo
Esta é a explicação encontrada nos livros didáticos. No laboratório, as coisas ficam mais complicadas. Superposições quânticas e correlações quânticas são fenômenos extremamente delicados.
Por exemplo, o movimento ondulatório de moléculas adjacentes pode interrompê-las e dificultar o cálculo.
A maioria dos projetos desenvolvidos em computadores quânticos exige que as máquinas sejam mantidas em temperaturas inferiores às do espaço sideral e que sejam alojadas em salas especiais.
Também é preciso muito pessoal especializado para acompanhar os processos de processamento.
O problema de detecção de erros
No entanto, nem a extrema habilidade dos cientistas nem as condições ideais de laboratório podem impedir a ocorrência de erros.
O maior problema enfrentado pelos cientistas quânticos é encontrar e corrigir erros na computação. Como dissemos, desenvolver aplicações práticas com computação quântica requer muito, muito mais processamento do que dispositivos tradicionais. Nessa escala, o risco de erros aumenta muito.
Este estado de coisas levou as grandes empresas da indústria de computadores, como IBM, Intel e Microsoft, e as mentes mais brilhantes, como Chad Rigetti, a construir kits de desenvolvimento cada vez melhores e menos falhos.
Algoritmos eficientes
Paralelamente a essa corrida para construir máquinas melhores, está a corrida para desenvolver algoritmos quânticos eficientes. O caso mais conhecido até agora é provavelmente o algoritmo de fatoração desenvolvido por Peter Shor em 1994 no Bell Labs.
Shor desenvolveu um algoritmo matemático com um turbocompressor quântico que permite a rápida fatoração de números inteiros em seus componentes primos.
Algo que assusta os criptógrafos, um grupo de cientistas cujo valor é apreciado em relação à dificuldade de realizar o que o algoritmo de Shor faz.
Mas se os computadores quânticos realmente conseguirem, então novos algoritmos são necessários. O desenvolvimento de tais algoritmos será facilitado pelo fato de que muitas das aplicações práticas (projeto de drogas, materiais, etc.) dependem de processos quânticos.
Esta, aliás, é também a razão pela qual tem sido difícil desenvolver este tipo de aplicações até agora.
Poucos dispositivos?
Apesar da promessa da computação quântica, muitos pesquisadores da área se sentem desconfortáveis com a frase "supremacia quântica". Estou desconfortável porque o advento da supremacia quântica implica um ponto de inflexão que, uma vez ultrapassado, envia décadas de computação aplicada para o sótão em nome de algo estranho e incrível.
E, apesar do “antes” e do “depois” que o documento do Google determina, construir dispositivos quânticos eficientes para ter aplicações práticas não será um caminho fácil.
a maioria das pessoas pensa que é uma aposta prever que a computação quântica substituirá a computação clássica. Os aspectos práticos relacionados à operação de computadores quânticos em temperaturas muito baixas são um exemplo.
Governos, grandes corporações e as universidades mais ricas terão, sem dúvida, seus próprios carros. Outros alugarão tempo em dispositivos conectados a versões quânticas da nuvem. De qualquer forma, o número total de computadores quânticos será limitado.
E é bom que seja. De qualquer forma, podemos ter algum ceticismo sobre essa previsão, olhando para os primórdios da computação clássica, que era uma coisa para os eleitos. Em 1943, Thomas Watson, então chefe da IBM, declarou: "Acho que pode haver um mercado mundial para, talvez, cinco computadores." Previsão incorreta de algum fator, talvez um bilhão de fatores.
Da The Economist de 26 de setembro de 2019
