Randomizar objetos quânticos é muito mais estranho do que randomizar objetos clássicos
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Os computadores quânticos podem gerar aleatoriedade com muito mais facilidade do que se pensava anteriormente, uma descoberta surpreendente que mostra que ainda temos muito que aprender sobre como o estranho mundo da física quântica se cruza com a computação.
A aleatoriedade é um componente chave de muitas tarefas computacionais – a previsão do tempo, por exemplo, envolve simular o comportamento da atmosfera muitas vezes, cada vez com configurações iniciais ligeiramente diferentes, escolhidas aleatoriamente. Para computadores quânticos, organizar bits quânticos, ou qubits, em configurações aleatórias para produzir resultados é uma maneira pela qual os pesquisadores estão tentando demonstrar a superioridade quântica, onde os computadores quânticos podem realizar tarefas que são efetivamente impossíveis para máquinas clássicas.
Definir essa configuração aleatória significa essencialmente embaralhar os qubits e a maneira como eles se conectam várias vezes, semelhante a como você embaralharia um baralho de cartas. Mas assim como uma mesa de cartas maior é mais difícil de randomizar do que uma mesa de cartas menor, acredita-se que esse processo demore mais à medida que você adiciona mais qubits ao seu sistema. Como mais aleatoriedade aumenta a probabilidade de quebrar estados quânticos complexos de qubits, isso significa que muitas aplicações úteis que dependem da aleatoriedade são consideradas limitadas a pequenos computadores quânticos.
Agora, Thomas Schuster do Instituto de Tecnologia da Califórnia e colegas descobriram que esses circuitos aleatórios podem ser gerados com menos randomização do que pensávamos, abrindo a possibilidade de usar sequências de qubits dispostas aleatoriamente que antes eram complexas demais para serem implementadas em computadores quânticos maiores.
Para demonstrar isso, Schuster e sua equipe imaginaram dividir uma coleção de qubits em blocos menores e depois provar matematicamente que cada um desses blocos poderia gerar sequências aleatórias. Então, eles provaram que esses blocos menores de qubits poderiam ser “colados”, criando uma versão bem embaralhada da coleção original de qubits de uma forma que você não esperaria.
“Isso é muito surpreendente, porque você pode mostrar que a mesma coisa não se aplica aos geradores de números aleatórios em sistemas clássicos”, disse Schuster. Por exemplo, embaralhar um baralho de cartas em blocos será muito perceptível, porque as cartas do bloco superior estarão sempre próximas do topo. Isto não se aplica ao caso quântico, porque o embaralhamento quântico cria uma superposição aleatória de todos os embaralhamentos possíveis.
“Este é um objeto muito mais complicado do que o embaralhamento clássico. Por exemplo, a ordem das cartas do topo não é mais fixa, porque somos uma superposição de muitas reordenações possíveis, então se eu tentasse a abordagem clássica acima e medisse a localização das cartas do topo após o embaralhamento, receberia apenas um resultado aleatório de cada vez, que não contém nenhuma informação sobre o embaralhamento”, diz Schuster. “Este é realmente algum tipo de fenômeno quântico intrinsecamente novo.”
“Esse tipo de comportamento quântico aleatório que todos esperamos seria muito difícil de produzir, e aqui os autores mostram que é possível fazer isso tão eficientemente quanto você pode imaginar”, disse Pieter Claeys no Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos na Alemanha. “Foi uma descoberta muito surpreendente.”
“Circuitos quânticos aleatórios têm muitos usos como ingredientes em algoritmos quânticos e até mesmo para demonstrar a chamada supremacia quântica”, disse Ashley Montanaro na Universidade de Bristol, Inglaterra. “Os autores identificaram muitas aplicações em informação quântica e espero que outras o sigam.” Por exemplo, seria mais fácil realizar experiências de vantagens quânticas como os investigadores fizeram antes, embora Montanaro acautele que isto não significa que os benefícios práticos de tais vantagens estejam mais próximos.
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