Protótipo inicial do Jiuzhang 4.0, um computador quântico que alcança superioridade quântica
Chao-Yang Lu/Universidade de Ciência e Tecnologia da China
Os computadores quânticos podem ter alcançado “excelência quântica” ao executar tarefas que estão além do alcance dos melhores supercomputadores do mundo. Os especialistas estimam que replicar os cálculos em máquinas clássicas levaria trilhões de trilhões de vezes a idade do universo. Mas o que esta conquista significa para o desenvolvimento de computadores quânticos verdadeiramente práticos?
O novo recordista é um computador quântico chamado Jiuzhang 4.0 que realiza cálculos usando partículas de luz, ou fótons. Chao Yang Lu da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e seus colegas usaram-no para amostragem de bósons gaussianos (GBS), uma tarefa na qual uma amostra de fótons é medida depois que as partículas viajam através de um extenso e complexo conjunto de espelhos de computador e divisores de feixe.
Os registros anteriores para esta tarefa envolveram menos de 300 fótons, mas neste caso Jiuzhang usou 3.090 partículas. Este é um aumento de dez vezes, indicando um aumento no poder de computação. Lu e seus colegas estimam que um algoritmo sofisticado executado no supercomputador mais poderoso do mundo levaria 10 minutos.42 anos para simular o que Jiuzhang realizou em 25,6 microssegundos.
“Não há dúvida de que o resultado é uma conquista técnica impressionante”, disse ele Jonathan Lavoie na startup canadense de computação quântica Xanadu, que anteriormente detinha o recorde de GBS de 219 fótons. Chris Langer da empresa de computação quântica Quantinuum, que já demonstrou vantagens quânticas com diferentes tipos de computadores quânticos, disse que este era um progresso significativo. “Acho importante que os sistemas quânticos provem que não podem ser simulados”, disse ele.
Mas a máquina Jiuzhang já esteve aqui antes. Várias vezes, os pesquisadores usaram versões anteriores de computadores quânticos para demonstrar GBS com altas contagens de fótons que pareciam impossíveis de simular com computadores tradicionais. Todas as vezes eles foram frustrados porque os computadores clássicos replicaram os resultados, às vezes em menos de uma hora.
Bill Fefferman da Universidade de Chicago, em Illinois, que está trabalhando em um desses algoritmos clássicos superiores, diz que há uma preocupação importante que atrapalha os dispositivos fotônicos: muitos fótons são perdidos à medida que se movem através de computadores quânticos, então os dispositivos criam ruído. “Aqui, eles reduziram o nível de ruído e, ao mesmo tempo, ampliaram o experimento, o que – pelo menos por enquanto – parece estar causando dificuldades em nosso algoritmo”, disse Fefferman.
Lu disse que superar a perda de fótons foi o maior desafio que sua equipe enfrentou neste novo experimento. Mas Jiuzhang ainda não está completamente livre de ruídos, deixando espaço para novas estratégias clássicas de simulação para desafiar seu status de campeão.
“Na minha opinião, eles ainda não estão num regime onde possamos ter certeza de que tal estratégia não é possível”, disse ele Jelmer Renema na Universidade de Twente, na Holanda.
Há um “ciclo virtuoso” aqui, onde a competição entre algoritmos clássicos e dispositivos quânticos continua a nos aproximar da compreensão da fronteira indescritível entre os mundos clássico e quântico, disse Fefferman. Do ponto de vista da ciência básica, esta é uma vitória para todos – mas se será possível levar a computação quântica a máquinas mais poderosas e úteis é uma questão em si.
Langer disse que o GBS é uma “referência básica” no sentido de que diferencia os computadores quânticos dos computadores convencionais, mas a conquista não reflete diretamente a utilidade dos computadores. Do ponto de vista da teoria estritamente matemática, é difícil avaliar se o GBS é uma prova de superioridade quântica e identificar um caminho claro para transformar máquinas que se destacam no GBS em máquinas que se destacam em algumas tarefas mais aplicadas, diz Nicolas Quesada na Polytechnique Montreal, no Canadá.
Isto ocorre em parte porque o hardware da Jiuzhang é altamente especializado, de modo que os computadores quânticos não podem ser programados para realizar qualquer cálculo. “Embora possa demonstrar vantagens computacionais para tarefas restritas, faltam os elementos essenciais para uma computação quântica útil e tolerante a falhas”, disse Lavoie. Aqui, tolerância a falhas refere-se a cálculos nos quais um computador quântico identifica e corrige seus próprios erros, uma capacidade que há muito é procurada e ainda não foi alcançada em um computador quântico prático.
Ao mesmo tempo, Lu e sua equipe propuseram diversas aplicações para as extraordinárias capacidades de Jiuzhang em termos de GBS. Este processo pode melhorar a computação relevante para reconhecimento de imagens, química e certos problemas matemáticos relacionados ao aprendizado de máquina. Fábio Sciarino da Universidade Sapienza de Roma, em Itália, afirma que esta abordagem à computação quântica ainda está na sua fase inicial – mas, se for bem-sucedida, poderá dar origem a um novo paradigma.
Em particular, os avanços no hardware – como este mais recente dispositivo Jiuzhang – poderiam permitir aos investigadores construir extraordinários computadores quânticos baseados em luz, disse Sciarrino. Eles serão programados de maneiras completamente novas e se destacarão em tarefas relacionadas ao aprendizado de máquina.
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