O ganhador do Nobel diz que construirá o computador quântico mais poderoso do mundo

John Martinis é um especialista em hardware. Ele preferia os detalhes de fazer física em laboratório ao mundo idealizado dos livros didáticos. Mas não seria possível escrever um livro de história da computação quântica sem ele: ele esteve no centro de dois dos momentos mais importantes da área. E ele está trabalhando duro para pegar o próximo.

Tudo começou na década de 1980, quando Martinis e os seus colegas realizaram uma série de experiências para investigar o que se sabia sobre os efeitos quânticos – por esta investigação, ele ganhou o prémio Nobel no ano passado. Quando ele era estudante de graduação na Universidade da Califórnia, Berkeley, sabíamos que as partículas subatômicas estavam sujeitas a efeitos quânticos, mas a questão era se o mundo da mecânica quântica poderia ser estendido a escalas maiores.

Martinis e seus colegas construíram e estudaram um circuito feito de uma mistura de supercondutores e isolantes e descobriram que muitas das partículas carregadas no circuito se comportavam como se fossem uma única partícula quântica. Isto é quântico macroscópico e lançou as bases para a construção de alguns dos computadores quânticos mais poderosos da atualidade, incluindo aqueles atualmente defendidos pela IBM e pelo Google. Na verdade, o trabalho de Martinis desencadeou uma tendência de gigantes da tecnologia usarem bits quânticos, ou qubits, feitos a partir de circuitos supercondutores – os qubits mais utilizados no mundo atualmente.

Na segunda vez que Martinis revolucionou o campo, ele liderou uma equipe de pesquisadores do Google que construiu um computador quântico que alcançou a “supremacia quântica” pela primeira vez. Por quase cinco anos, foi o único computador no mundo, quântico ou não, que pôde verificar a saída de circuitos quânticos aleatórios. Mais tarde, foi derrotado pelos computadores clássicos.

Agora, à beira dos 70 anos, Martinis acredita que pode obter outra vitória histórica com qubits supercondutores. Em 2024, ele cofundou a QoLab, uma empresa de computação quântica que, segundo ele, adotaria uma abordagem radicalmente nova em um esforço para criar o que todos na área estão perseguindo: um computador quântico verdadeiramente prático.

Karmela Padavic-Callaghan: Você fez um grande avanço no início de sua carreira ao realizar alguns trabalhos básicos. Quando você começou a entender que seus experimentos poderiam levar a novas tecnologias?

John Martinis: Havia uma questão sobre se as variáveis ​​macroscópicas poderiam contornar a mecânica quântica, e o fato de eu ser jovem e novo na mecânica quântica fez com que parecesse algo que precisávamos testar. Talvez, se você fosse mais velho, você simplesmente presumisse que a mecânica quântica funcionaria. Mas, quando era um jovem estudante, fazer um teste fundamental de mecânica quântica parecia um experimento incrível.

A primeira coisa que fizemos foi montar um experimento muito rudimentar e rápido usando a tecnologia atual. Quando coletamos os dados, o experimento falhou miseravelmente. Mas podemos falhar rapidamente, por isso não importa. Em última análise, este é um experimento em que você precisa entender a engenharia de microondas. Você tem que entender o barulho, tivemos muitas coisas técnicas que tivemos que fazer, mas (o sucesso) aconteceu muito rapidamente depois disso.

Nos primeiros 10 anos depois disso, fizemos esses experimentos e construímos dispositivos quânticos. Então, a teoria da computação quântica desenvolveu-se rapidamente, especialmente o algoritmo de Shor (que fatora grandes números para resolver a criptografia), e logo depois a correção de erros (algoritmos). Ele fornece uma base sólida para este campo. As pessoas agora podem imaginar construir coisas. Portanto, o financiamento está disponível.

Como é que o financiamento altera a investigação e, em última análise, a tecnologia?

Muitas coisas mudaram desde a década de 1980. Naquela época, os humanos nem sequer tinham testado se um único sistema quântico poderia ser manipulado e medido corretamente. É interessante o que aconteceu nos últimos 40 anos. A computação quântica se tornou um campo enorme! O mais encorajador de tudo isto é que muitos físicos estão agora a ser empregados para compreender a mecânica quântica destes sistemas supercondutores e para construir computadores quânticos.

Você participou dos primeiros dias da computação quântica. Como isso ajuda você a entender a direção atual do campo?

Por ter feito parte dessa área o tempo todo, entendo os fundamentos da física. Construí a primeira eletrônica de micro-ondas para (dispositivos quânticos) em nosso grupo na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e mais tarde no Google, construí meu próprio criostato (um dispositivo que mantém computadores quânticos supercondutores resfriados até as temperaturas ultrafrias necessárias para operar). Estive envolvido na criação de cada elemento. Acho que muitas pessoas, se não tivessem passado por tudo isso, estariam otimistas de que seguiremos em frente. Eu sei onde estão todos os problemas. Se você deseja construir sistemas de computação realmente complexos, isso é tudo engenharia de sistemas, e acho que tenho a vantagem de entender muito bem a física básica de tudo isso.

Como você acha que o hardware da computação quântica terá que mudar para que os computadores quânticos sejam úteis e práticos? Que mudanças você espera que sejam o início do próximo avanço?

Depois de deixar o Google, comecei a pensar nos computadores quânticos como um sistema completo e a repensar todas as coisas fundamentais que realmente precisamos construir e melhorar. O QoLab é baseado nisso, com mudanças bastante dramáticas na forma como construímos qubits (em termos de técnicas de fabricação) e como colocamos tudo junto, especialmente a fiação.

O que percebemos é que é preciso pensar em construir computadores quânticos de uma maneira muito diferente para tornar a tecnologia confiável e reduzir custos. É difícil e difícil para as pessoas entenderem. Recebemos muita resistência e ceticismo, mas com base na minha experiência em física durante décadas, isso significava que tínhamos uma boa ideia.

Às vezes ouvimos que para criar um computador quântico verdadeiramente útil e livre de erros, é necessário um número muito grande de qubits, até milhões. Como você chega lá?

Em termos da maior disrupção que queremos criar, está na produção e, em particular, na criação de chips quânticos, que é também a parte mais difícil. Se você observar o que todo mundo está fazendo – Google, IBM, Amazon e muitas outras empresas – eles estão usando técnicas de fabricação que, não sei, datam dos anos 1950 ou 1960. Não conheço (nenhuma outra indústria que) construa circuitos reais hoje com esse método. Então, nossa opinião é que se você quiser produzir um milhão de qubits e torná-los confiáveis, você precisa fazer outra coisa.

Sentimo-nos realmente entusiasmados com a forma como podemos mudar fundamentalmente a forma como estes dispositivos são fabricados. E temos uma arquitetura de chip que pode ajudar a eliminar todos os fios. Se você olhar a imagem de um computador quântico (supercondutor), verá que é apenas uma floresta de fios e componentes de micro-ondas. Quero colocar todas essas coisas em um chip e poder ampliá-lo. Em qubits supercondutores, o maior problema é o problema de fiação, e estamos trabalhando para resolvê-lo.

Você acha que haverá um vencedor na corrida pelos computadores quânticos práticos, digamos, nos próximos cinco anos?

Há muitas maneiras diferentes pelas quais as pessoas tentaram construir computadores quânticos e, dadas as restrições extremamente difíceis da engenharia de sistemas, acho que vale a pena abordar esse problema de várias maneiras. Acho que é bom que muitas ideias diferentes sejam financiadas, porque assim as probabilidades de as pessoas fazerem avanços são maiores. Mas quando penso nessas restrições, e há muitas delas, em geral eu diria que muitos projetos são um pouco, diria apenas, ingênuos sobre o que realmente é necessário para atender a essas restrições, como gerenciar custos ou produzir dispositivos em escala. Por outro lado, tenho certeza de que muitas equipes de pesquisa têm ideias para resolver alguns problemas de design sobre os quais não falam publicamente.

E acho que o plano de negócios da QoLab é um pouco diferente, talvez até único, porque abraçamos a colaboração porque sentimos que precisamos de todo o conhecimento. Trabalhamos com empresas de hardware que sabem escalar e fazer fabricação avançada.

Se alguém lhe desse um computador quântico enorme e à prova de erros amanhã, qual seria a primeira coisa que você tentaria?

Estou muito interessado em usar computadores quânticos para resolver problemas de química quântica e materiais quânticos. Existem alguns artigos recentes sobre como usá-lo para ajudar (extrair informações mais úteis de) experimentos de ressonância magnética nuclear (NMR) em química e eu realmente gosto dele como uma aplicação inicial. Esses problemas quânticos são difíceis de resolver em supercomputadores clássicos devido às dificuldades básicas da mecânica quântica. Mas isto, claro, pode ser resolvido fundamentalmente com um computador quântico – basta mapear o problema quântico num computador quântico. Estou muito entusiasmado com isso, em parte porque quero ter uma ideia definitiva de como construir (o dispositivo) e as pessoas desenvolveram algoritmos definidos para fazer isso (aplicativos como aprimoramento de RMN).

Muitas pessoas podem pensar em fazer algo, por exemplo, com problemas de otimização e inteligência artificial quântica. Para mim é mais um “experimente e veja se funciona”. A teoria por trás da aplicação de materiais e da aplicação da química é muito mais certa. Sabemos o quão grandes são (os computadores quânticos). Acho que esse motor é algo que podemos construir, tanto em termos de tamanho quanto de velocidade de execução.

Alguns dos usos potenciais dos computadores quânticos foram determinados matematicamente há mais de 30 anos. Por que isso não se tornou realidade?

Você pode abstrair o comportamento dos qubits e imaginar como construir um computador quântico, e isso é ótimo, porque você pode fazer com que cientistas da computação, matemáticos e teóricos pensem sobre isso. Mas o verdadeiro problema aqui é que os qubits, na verdade, têm fontes de ruído (como calor da fiação externa ou impurezas no próprio material do qubit) e problemas físicos. Muitos dos grandes esforços de computação quântica são conduzidos por teóricos, e tudo bem, mas os sistemas reais são muito mais complicados, assim como o que é necessário fazer para construir um hardware que funcione bem.

No grupo de (meu orientador de pós-graduação) John Clarke, fui treinado para entender o ruído. Esse tipo de histórico é muito benéfico para mim e para as pessoas com quem trabalho, porque pensamos nos qubits de uma forma muito física, tentando eliminar os mecanismos de ruído físico que tornam os chips não confiáveis. Foi o que aconteceu com o experimento da supremacia quântica; (parte do ruído vem do fato de que) você tem um “estado de dois níveis” embutido em seu dispositivo e opera para evitá-lo. Você pode fazer isso funcionar, mas é uma grande dor e dificulta a escalabilidade. A minha esperança é que possamos (agora) eliminar ou reduzir esses impactos. Você precisa estudar os detalhes do design do qubit para entendê-lo.

A questão é que você precisa ter o hardware e as ideias para as aplicações, e acho que precisamos melhorar o hardware em todos os aspectos. Então é nisso que me concentro.