Chip Willow de computação quântica do Google
IA quântica do Google
Pesquisadores do Google Quantum AI usaram seu computador quântico Willow para ajudar a interpretar dados da espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), um pilar da pesquisa química e biológica. Este trabalho coloca os computadores quânticos à beira de serem capazes de melhorar as tecnologias moleculares comuns.
O uso mais comprovado de computadores quânticos é quebrar a criptografia, mas os dispositivos atuais são muito pequenos e propensos a erros para executar algoritmos de descriptografia. Porém, outro passo que pode ser dado é agilizar os procedimentos de descoberta de novos medicamentos e materiais. Tais procedimentos são essencialmente de natureza quântica, tornando-os compatíveis com as capacidades dos computadores quânticos. Hartmut Neven e colegas do Google Quantum AI demonstraram agora um exemplo em que a capacidade dos computadores quânticos de “falar a mesma linguagem da natureza” pode ser útil.
O trabalho da equipe se concentra em um protocolo computacional chamado Quantum Echoes e como ele pode ser aplicado à RMN, que é usado para determinar detalhes microscópicos de estruturas moleculares.
A ideia central dos Ecos Quânticos é semelhante ao efeito borboleta – um fenômeno onde pequenas perturbações causam grandes consequências em sistemas maiores, como o bater das asas de uma borboleta causando uma tempestade distante. Os pesquisadores usaram a versão quântica em um sistema feito de 103 qubits dentro do Willow.
Em seus experimentos, os pesquisadores primeiro aplicaram uma sequência específica de operações aos seus qubits, o que alterou o estado quântico do qubit de forma controlada. Em seguida, eles escolheram um qubit específico para perturbar, que funcionaria como uma “borboleta quântica”, antes de aplicar a mesma sequência de operações de antes, mas invertida ao longo do tempo, como reproduzir uma fita de vídeo. Finalmente, a equipe mediu as propriedades quânticas dos qubits, que analisaram para obter informações sobre todo o sistema.
No sentido mais simples, os procedimentos de RMN utilizados em laboratório também dependem de pequenas perturbações, desta vez cutucando moléculas reais com ondas eletromagnéticas e analisando então como o sistema reage para determinar as posições relativas dos átomos, como uma régua molecular.. Embora a manipulação de qubits imite esse processo, a análise matemática de qubits também pode ser traduzida em detalhes da estrutura molecular. Pas etapas da computação quântica têm a oportunidade de nos permitir ver átomos que estão distantes uns dos outros, disse o membro da equipe Tom O’Brien. “Estamos construindo uma régua molecular mais longa.”
A equipe estima que executar um protocolo semelhante ao Quantum Echoes em um supercomputador convencional levaria cerca de 13 mil vezes mais tempo. Seus testes também mostraram que dois computadores quânticos diferentes poderiam executar Ecos Quânticos e produzir os mesmos resultados, o que não foi o caso de alguns algoritmos quânticos que a equipe desenvolveu no passado. O’Brien diz que isso é possível devido às rápidas melhorias na qualidade do hardware da Willow, como uma diminuição na taxa de erro de qubit.
No entanto, ainda há melhorias que precisam ser feitas. Quando os pesquisadores usaram Willow e Quantum Echoes para duas moléculas orgânicas, eles usaram apenas até 15 qubits por vez e os resultados do cálculo ainda eram comparáveis aos métodos não quânticos convencionais. Em outras palavras, a equipe não provou que Willow tenha quaisquer vantagens práticas sobre seus equivalentes clássicos. Esta demonstração específica de implementação de Ecos Quânticos ainda está nos estágios iniciais e ainda não passou por um processo formal de revisão por pares.
“A questão da determinação da estrutura molecular é uma questão muito importante e relevante”, disse ele Keith Fratus na HQS Quantum Simulation, uma empresa alemã que desenvolve algoritmos quânticos. Ele disse que criar uma ligação entre as técnicas existentes, como a RMN, e os cálculos realizados em computadores quânticos é um passo importante, mas, por enquanto, a utilidade dessas técnicas provavelmente será limitada a estudos altamente especializados em biologia.
Célula Seca da Universidade de Nova York, disse que os experimentos da equipe usaram um computador quântico maior e consideraram protocolos e moléculas de RMN mais complexos do que haviam sido modelados em computadores quânticos antes, inclusive por ele e seus colegas. “A simulação quântica é frequentemente citada como um dos principais casos de uso prospectivos para computadores quânticos, mas há muito poucos exemplos de casos industrialmente interessantes… Acho que a inferência de modelos em dados espectroscópicos, como RMN, pode ser útil”, disse ele. “Acho que ainda não chegamos lá, mas esforços como esse nos motivam a continuar estudando o assunto.”
O’Brien disse que a aplicação de Ecos Quânticos à RMN se tornará mais útil à medida que a equipe continuar a melhorar o desempenho de seus qubits. Quanto menos erros cometidos, mais erros podem ser utilizados para o protocolo de uma só vez, considerando assim moléculas cada vez maiores.
Enquanto isso, a busca pelos melhores usos para os computadores quânticos está longe de terminar. Executar ecos quânticos em Willow é experimentalmente impressionante, mas é improvável que a análise matemática que ele permite seja amplamente utilizada, diz Curt von Keyserlingk no King’s College de Londres. Ele disse que até que esta tecnologia possa realmente superar o que os especialistas em RMN vêm fazendo há décadas, seu principal apelo será para os físicos teóricos focados no estudo fundamental de sistemas quânticos. E estes protocolos podem não ser tão fiáveis no futuro – von Keyserlingk diz que já tem ideias sobre como a computação convencional poderá competir com eles.
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