O que torna um bom computador quântico?

Onze anos atrás, eu tinha acabado de iniciar um programa de doutorado em física teórica e, para ser sincero, nunca havia pensado em computadores quânticos, nem escrito sobre eles. Enquanto isso, Novo Cientista a equipe está trabalhando arduamente para elaborar o primeiro “guia do comprador de computadores quânticos” do mundo (estamos sempre na vanguarda). Uma olhada nele revela como os tempos eram diferentes – João Martinis na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara foi elogiada por trabalhar em uma série de apenas nove qubits e, na semana passada, recebeu o Prêmio Nobel de Física. Enquanto isso, os computadores quânticos feitos de átomos neutros, que têm estado em destaque nos últimos anos, nem sequer são mencionados. Isso me faz pensar: como é hoje um guia do comprador de computadores quânticos?

Existem atualmente cerca de 80 empresas em todo o mundo produzindo hardware de computação quântica. Como faço reportagens sobre computação quântica, tive a oportunidade de vê-la crescer como uma indústria de perto – e ouvi muitos discursos de vendas. Se você acha que é difícil decidir entre um iPhone e um telefone Android, tente se tornar uma das dezenas de startups de computação quântica.

É claro que muito do entusiasmo vem do marketing, mas parte da dificuldade em comparar esses dispositivos e abordagens decorre do fato de que atualmente não há consenso sobre a melhor maneira de construir um computador quântico. Por exemplo, você pode escolher qubits feitos de circuitos supercondutores, íons super-resfriados, luz ou alguma outra opção. Como você considera as diferenças entre essas máquinas quando elas têm peças fundamentalmente diferentes? Isso ajuda a focar no desempenho de cada computador quântico.

Esta é uma mudança significativa em relação aos primórdios da computação quântica, onde a excelência entre estes novos dispositivos era determinada pelo número de qubits – os blocos de construção mais básicos no processamento de informação quântica – que uma máquina tinha. Várias equipes de pesquisa já quebraram a barreira dos 1.000 qubits e o caminho para um maior número de qubits parece estar mais claro a cada dia. Os pesquisadores estão agora procurando maneiras de aproveitar técnicas de fabricação padrão, como fabricar qubits de silício e até mesmo usar IA para tornar seus computadores quânticos maiores – e mais poderosos.

Num mundo ideal, mais qubits significam mais poder de computação porque permite que os computadores quânticos resolvam problemas mais complexos. No mundo real, garantir que cada novo qubit adicionado não prejudique o desempenho dos qubits que você já possui provou ser um enorme desafio técnico. Portanto, o que importa não é apenas o número de qubits que você possui, mas também quão bem eles armazenam informações e quão bem podem “conversar” entre si sem degradar essas informações. Os computadores quânticos podem ter milhões de qubits e ser essencialmente inúteis se esses qubits forem suscetíveis a interferências que causem erros nos cálculos.

Essa interferência – ou ruído – pode ser medida em métricas como “fidelidade de porta”, que mostra com que precisão você pode fazer um qubit ou par de qubits fazer algo, e “tempo de coerência”, que mostra quanto tempo um qubit pode permanecer em um estado quântico que seja útil para você. Mas essas etapas nos levam de volta aos meandros do hardware de computação quântica. Irritantemente, mesmo que essas métricas sejam boas, você ainda precisa se preocupar com o quão difícil será colocar os dados em um computador quântico e começar a calcular, e se você terá problemas ao tentar ler os resultados finais.

Parte do extraordinário crescimento da indústria da computação quântica deve-se ao surgimento de empresas especializadas no controlo de qubits e outras partes de computadores quânticos que lidam com a complexa interface entre o interior quântico destes dispositivos e os seus utilizadores não quânticos. Um guia do comprador de computador quântico adequado para 2025 deve incluir todas essas adições. Você tem que escolher seus qubits, mas também um sistema de controle de qubit e algum mecanismo para corrigir esses erros de qubit. Tive a oportunidade de conversar com pesquisadores que estão inclusive desenvolvendo sistemas operacionais para computadores quânticos, então daqui a alguns anos isso também poderá fazer parte da sua lista de compras.

Se eu tivesse que elaborar uma lista de desejos de curto prazo, apostaria numa máquina que pudesse realizar pelo menos um milhão de operações – aproximadamente, um programa de computação quântica que tem um milhão de passos – com uma taxa de erro muito baixa e o máximo possível de correcção de erros incorporada. John Preskill do Instituto de Tecnologia da Califórnia a chama de máquina “megaquop”. No ano passado, ele me disse que acreditava que tais máquinas seriam poderosas o suficiente para serem tolerantes ou à prova de erros e para fazer descobertas cientificamente significativas. Mas ainda não chegamos lá. Os computadores quânticos que temos hoje realizam dezenas de milhares de operações e apenas realizam correção de erros para tarefas relativamente pequenas.

De certa forma, os computadores quânticos estão atualmente na adolescência, amadurecendo em termos de usabilidade, mas ainda enfrentando dificuldades. Portanto, a pergunta que faço com mais frequência aos traders de computadores quânticos na minha caixa de entrada é: “O que esta máquina pode realmente fazer?”

É aqui que não só temos que comparar diferentes tipos de computadores quânticos, mas também compará-los com computadores convencionais. O hardware quântico é caro e difícil de construir, então quando é realmente a única opção viável para resolver um problema?

Uma forma de responder a esta questão é tentar identificar cálculos que os computadores convencionais não conseguem completar a menos que tenham tempo infinito. Coloquialmente, isso é conhecido como “supremacia quântica” e mantém os matemáticos e os teóricos da complexidade acordados à noite, tanto quanto rouba o sono dos engenheiros quânticos. Existem exemplos de supremacia quântica, mas são problemáticos. Para ser significativo, tem de ser prático – é preciso ser capaz de construir uma máquina que o possa executar – e tem de ser demonstrável de tal forma que se possa ter a certeza de que um matemático inteligente não seria capaz de construir um computador convencional para o executar.

Em 1994, o físico Peter Shor desenvolveu um algoritmo de computação quântica para fatorar grandes números que pode ser usado para quebrar facilmente os métodos de criptografia mais comuns usados ​​atualmente, por exemplo, pelos bancos do mundo. Um computador quântico suficientemente grande e capaz de corrigir os seus próprios erros poderia executar este algoritmo, mas os matemáticos até agora não conseguiram provar conclusivamente que os computadores clássicos nunca serão capazes de fatorar números grandes de forma eficiente. As reivindicações mais proeminentes de supremacia quântica também se enquadram nesta categoria – e algumas delas foram finalmente derrotadas pelas máquinas clássicas. As demonstrações existentes de supremacia quântica também parecem ser inúteis e são projetadas principalmente para mostrar computadores quânticos realizando-as.

No lado oposto do espectro estão os problemas no campo matemático da “complexidade de consulta”, onde a supremacia das abordagens quânticas pode ser rigorosamente comprovada, mas nenhum dos algoritmos associados é prático para implementar ou fazer algo particularmente útil. Experimentos recentes também introduzem a ideia de “supremacia da informação quântica”, na qual um computador quântico resolve uma tarefa usando menos qubits do que o número de bits necessários para resolver o mesmo problema em um computador clássico. Aqui, o recurso menos exigido por um computador quântico não é o tempo, mas sim o número de blocos de construção físicos. Isto pode parecer promissor porque implica que os computadores quânticos podem fazer algo sem ter que se tornar grandes primeiro, mas não recomendo que você compre um por uma simples razão – a tarefa, novamente, não tem uso óbvio no mundo real.

É claro que existem problemas do mundo real que parecem adequados aos algoritmos de computador quântico, como a determinação das propriedades de moléculas importantes na agricultura e na medicina, ou a resolução de problemas de logística, como a programação de voos. Mas devo dizer “aparentemente” porque a realidade é que os investigadores ainda não conhecem todos os detalhes.

Por exemplo, em estudo recente sobre o possível uso da computação quântica para genômica, Aurora Maurício no Instituto Científico San Raffaele na Itália e Guglielmo Mazzola da Universidade de Zurique, na Suíça, escreveu que os métodos de computação convencionais são tão bons que “a computação quântica pode oferecer acelerações num futuro próximo apenas para um determinado subconjunto de tarefas moderadamente difíceis”. A mensagem da sua investigação é que, embora à primeira vista os problemas combinatórios na genómica possam parecer uma área onde os computadores quânticos poderiam acelerar as coisas, um olhar mais atento mostra que a sua utilização deve ser muito direccionada e cuidadosa.

A realidade é que, para muitos problemas que não são especificamente concebidos para provar a supremacia quântica, mesmo quando os computadores quânticos conseguem superar o ruído e todos os outros problemas técnicos e executar algoritmos mais rapidamente do que os computadores clássicos, existe um espectro do que se entende por “mais rápido”. Como isso não significa necessariamente exponencialmente mais rápido, a economia de tempo gerada pelos computadores quânticos nem sempre compensa totalmente os custos de hardware. Por exemplo, cientistas da computação Amo GroverO algoritmo de busca, que é o segundo algoritmo de computação quântica mais famoso depois de Shor, oferece apenas um aumento quadrático de velocidade – ele reduz o tempo de execução do cálculo em uma raiz quadrada, não exponencialmente. Em última análise, o quão rápido ele é e o suficiente para justificar o uso de um computador quântico pode depender do comprador individual de um computador quântico.

E eu sei, eu sei, esta é uma frase frustrante para incluir no chamado guia do comprador, mas se aprendi alguma coisa sobre computadores quânticos conversando com especialistas, é que não sabemos mais sobre o que os computadores quânticos podem fazer do que sabemos com certeza. Os computadores quânticos são uma tecnologia cara e complexa do futuro, e ainda não sabemos como irão agregar valor às nossas vidas, em vez de apenas agregar valor aos acionistas de algumas empresas. Embora isso seja insatisfatório, acredito que seja um indicador de quão diferentes e novos são os computadores quânticos; o quanto eles estão realmente na vanguarda da computação.

Mas se acontecer de você estar lendo isso porque tem muito dinheiro sobrando para comprar um computador quântico grande e poderoso, compre um e deixe seus especialistas locais em algoritmos quânticos mexerem com ele. Em alguns anos, eles poderão lhe dar conselhos melhores.