Os computadores quânticos finalmente alcançaram a supremacia incondicional

O que os computadores quânticos podem fazer que os computadores tradicionais não conseguem? Esta é uma das maiores questões enfrentadas pela indústria em rápido crescimento e agora finalmente temos uma resposta inegável.

Em vez dos bits clássicos, os computadores quânticos usam qubits, que podem existir em mais estados do que “0” ou “1”, dando-lhes teoricamente uma vantagem computacional. Mas se os computadores quânticos podem fazer algo impossível ou impraticável mesmo para os melhores computadores tradicionais – um feito de supremacia quântica – provou ser uma questão difícil e controversa de responder. Isto ocorre porque exemplos reais de supremacia quântica devem ser tarefas computacionais que sejam práticas, tão testáveis ​​em hardware quântico realista, e comprováveis, que todos os truques matemáticos e algorítmicos que poderiam ajudar os computadores clássicos a eventualmente alcançá-los devem ser estritamente descartados.

William Kretschmer da Universidade do Texas em Austin e colegas concluíram agora um experimento que atende a ambos os critérios. Ao contrário de algumas reivindicações anteriores de supremacia quântica, onde os computadores clássicos acabaram por colmatar a lacuna de desempenho entre eles próprios e os seus rivais quânticos, os investigadores dizem agora que “os nossos resultados são comprováveis ​​e permanentes: nenhum desenvolvimento futuro de algoritmos clássicos pode colmatar esta lacuna”.

A equipe usou 12 qubits feitos de íons controlados por laser, construídos pela empresa de computação quântica Quantinuum, para conduzir experimentos enraizados na matemática da complexidade da comunicação. O objetivo é encontrar a maneira mais eficiente para dois pesquisadores hipotéticos, chamados Alice e Bob, completarem os cálculos enviando mensagens um ao outro.

Uma parte do computador quântico, agindo como Alice, prepara um estado quântico específico e o envia para outra parte da máquina, Bob, que então tem que decidir como medir o estado de Alice para estudar suas propriedades e produzir um resultado. Ao repetir esse processo, a dupla pode construir uma maneira de prever o resultado de Bob antes que Alice revele seu estado.

Os pesquisadores repetiram o procedimento 10 mil vezes e otimizaram a forma como Alice e Bob realizavam sua parte no processo. A análise de todos esses testes, combinada com uma investigação matemática rigorosa do próprio protocolo, mostra que nenhum algoritmo clássico com menos de 62 bits pode igualar o desempenho de um computador quântico de 12 qubit nesta tarefa. O menor caso em que eles poderiam provar que o algoritmo clássico poderia atingir o mesmo desempenho exigia 330 bits – uma diferença de quase 30 vezes no poder de computação necessário.

“Este é um resultado científico extraordinário que mostra que o panorama da ‘excelência quântica’ é mais amplo do que algumas pessoas pensavam”, disse ele. Ashley Montanaro na Universidade de Bristol, na Inglaterra. “Ao contrário da maioria das demonstrações de superioridade ou supremacia quântica, não há esperança de que um algoritmo clássico melhor possa ser encontrado – é simplesmente impossível.”

Ronald de Lobo do Instituto de Pesquisa de Matemática e Ciência da Computação da Holanda, disse que o experimento aproveita efetivamente os recentes avanços rápidos nos computadores quânticos existentes e se baseia em ideias da teoria da complexidade da comunicação que foram exploradas por décadas.

“É bem sabido que a complexidade da comunicação é uma fonte comprovável e realista da separação entre quântico e clássico. A diferença é que eles conseguiram implementar o modelo pela primeira vez, graças aos avanços no hardware”, disse ele. “E eles descobriram um novo problema de complexidade de comunicação com uma lacuna maior entre o clássico e o quântico e, portanto, a lacuna já é visível mesmo quando você usa apenas 12 qubits.”

Embora estes novos resultados difiram de muitas demonstrações anteriores de supremacia quântica, eles têm uma característica importante em comum: não está claro se são imediatamente úteis. Exemplos de vantagens quânticas que poderiam ter um grande impacto no mundo real, como o algoritmo Shor que poderia mudar radicalmente a criptografia, ainda carecem de confirmação em termos de provas.

No futuro, a equipe poderia fortalecer os resultados de sua pesquisa, por exemplo, transformando Alice e Bob em dois computadores separados, o que evitaria a possibilidade de interações desconhecidas entre os dois afetarem os resultados dos computadores quânticos, mas a utilidade da supremacia quântica é uma questão mais importante, disse de Wolf.

“Além da supremacia (quântica), deve haver um movimento em direção à supremacia (quântica) útil e aos computadores quânticos fazendo algo muito melhor do que os computadores clássicos para os problemas realmente interessantes, como cálculos químicos ou otimização logística”, disse ele.