O que torna os computadores quânticos tão bons?

Onze anos atrás, eu tinha acabado de iniciar meu doutorado em física teórica e, para ser sincero, nunca havia pensado ou escrito sobre computadores quânticos. enquanto isso, novo cientista Nossa equipe trabalhou arduamente para criar o primeiro “Guia do Comprador de Computadores Quânticos” do mundo (estamos sempre à frente da curva). Dê uma olhada e você verá como era uma época diferente – João Martinis da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, foi elogiado por seu trabalho em um conjunto de apenas nove qubits e recebeu o Prêmio Nobel de Física na semana passada. Por outro lado, não há menção a computadores quânticos feitos de átomos neutros, que tomaram conta do campo nos últimos anos. Ouvir isso me fez pensar. Como seria um guia para compradores de computadores quânticos hoje?

Atualmente, cerca de 80 empresas em todo o mundo fabricam hardware de computação quântica. Como faço reportagens sobre computação quântica, pude ver de perto como ela está crescendo como indústria e ouvi muitos discursos de vendas. Se você estiver tendo problemas para decidir entre um iPhone e um telefone Android, tente entrar na lista de imprensa de dezenas de startups de computação quântica.

Claro, há muito entusiasmo de marketing, mas parte da dificuldade em comparar esses dispositivos e abordagens decorre do fato de que atualmente não existe consenso sobre a melhor maneira de construir computadores quânticos. Por exemplo, você pode escolher qubits feitos de circuitos supercondutores, íons criogênicos, luz ou várias outras opções. Se essas máquinas têm peças fundamentalmente diferentes, como avaliar as diferenças? Isso ajudará a focar no desempenho de cada computador quântico.

Esta é uma mudança notável desde os primeiros dias da computação quântica. Lá, os vencedores desses novos dispositivos foram determinados pelo número de qubits (os blocos de construção mais fundamentais do processamento quântico de informações) que a máquina possuía. Várias equipes de pesquisa já romperam a barreira dos 1.000 qubits, e o caminho para mais qubits parece estar se tornando mais claro a cada dia. Os pesquisadores estão agora procurando maneiras de aproveitar técnicas de fabricação padrão, como fabricar qubits a partir de silício e usar IA para tornar computadores quânticos maiores e mais poderosos.

Num mundo ideal, mais qubits sempre aumentariam o poder computacional. Isso permite que os computadores quânticos resolvam problemas mais complexos. Em nosso mundo real, garantir que cada novo qubit não prejudique o desempenho dos qubits existentes provou ser um grande desafio técnico. Portanto, não é apenas o número de qubits que importa, mas também quanta informação os qubits podem conter e quão bem eles podem “conversar” entre si sem degradar a informação. Um computador quântico pode ter milhões de qubits, mas se esses qubits forem propensos a falhas que causem erros nos cálculos, eles se tornarão essencialmente inúteis.

Essa falha (ou ruído) pode ser quantificada por métricas como “fidelidade de porta”, que mede a precisão com que um qubit ou par de qubits pode fazer algo, e “tempo de coerência”, que mede quanto tempo um qubit pode permanecer em um estado quântico útil. Mas essas etapas nos trazem de volta aos detalhes essenciais do hardware de computação quântica. Para complicar as coisas, mesmo que essas métricas sejam boas, ainda temos que nos preocupar com a dificuldade de alimentar dados em um computador quântico e começar a calcular, e se haverá problemas ao tentar ler os resultados finais.

Parte do crescimento impressionante da indústria de computação quântica se deve ao surgimento de empresas especializadas em controle de qubit e outras partes de computadores quânticos que lidam com a difícil interface entre os componentes quânticos internos desses dispositivos e usuários não quânticos. Um bom guia do comprador para computadores quânticos em 2025 deve incluir todos esses complementos. Você precisa escolher um qubit, mas também precisa escolher um sistema de controle de qubit e um mecanismo para corrigir erros de qubit. Tive a oportunidade de conversar com um pesquisador que está desenvolvendo um sistema operacional para computadores quânticos, então daqui a alguns anos isso também poderá fazer parte da lista de compras.

Se eu tivesse que fazer uma lista de desejos de curto prazo, apostaria em uma máquina que pudesse realizar pelo menos um milhão de operações, um programa de computação quântica de um milhão de passos com taxas de erro muito baixas e o máximo de correção de erros possível. John Preskill O Instituto de Tecnologia da Califórnia chama isso de máquina “Mega-Quop”. No ano passado, ele me disse que acreditava que tais máquinas seriam tolerantes a falhas, ou à prova de erros, e poderosas o suficiente para fazer descobertas cientificamente significativas. Mas ainda não chegamos lá. Os computadores quânticos que usamos atualmente realizam dezenas de milhares de operações, mas a correção de erros só foi demonstrada para tarefas relativamente pequenas.

Os computadores quânticos de hoje estão, de certa forma, na adolescência, amadurecendo em direção à utilidade, mas ainda enfrentando dificuldades de crescimento. Por esse motivo, a pergunta mais frequente que faço aos vendedores de computadores quânticos em minha caixa de correio é: “O que esta máquina pode realmente fazer?”

Aqui, precisamos não apenas comparar diferentes tipos de computadores quânticos, mas também compará-los com computadores quânticos clássicos. O hardware quântico é caro e difícil de construir, então quando é realmente a única opção viável para resolver um problema?

Uma maneira de responder a essa pergunta é tentar identificar cálculos que os computadores tradicionais não conseguiriam realizar sem tempo ilimitado. Isso é coloquialmente conhecido como “supremacia quântica” e não apenas priva os engenheiros quânticos de sono, mas também mantém os matemáticos e os teóricos da complexidade acordados à noite. Existem exemplos de supremacia quântica, mas são preocupantes. Para serem significativos, eles devem ser práticos. Isso significa que você precisa ser capaz de construir uma máquina que possa operá-los. E, no final, têm de ser comprováveis ​​o suficiente para que até mesmo matemáticos inteligentes possam ter a certeza de que nenhum computador convencional pode realizá-los.

Físico em 1994 Pedro Scholl 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 bancos em todo o mundo, por exemplo. Um computador quântico grande o suficiente para corrigir os seus próprios erros pode realmente ser capaz de executar este algoritmo, mas os matemáticos até agora não conseguiram provar rigorosamente que os computadores clássicos não conseguem fatorar números grandes com a mesma eficiência. As reivindicações mais notáveis ​​de supremacia quântica também se enquadram nesta categoria, algumas das quais foram eventualmente derrotadas pelas máquinas clássicas. As demonstrações contínuas de supremacia quântica também parecem não ter utilidade ainda e são projetadas principalmente para demonstrar a natureza quântica dos computadores que as completaram.

No outro extremo do espectro está um problema no campo matemático da “complexidade de consulta”. Lá, a superioridade da abordagem quântica é rigorosamente comprovável, mas não existem algoritmos relevantes que sejam práticos de implementar ou que façam algo claramente útil. Experimentos recentes também introduziram a ideia de “superioridade da informação quântica”, na qual computadores quânticos resolvem tarefas usando menos qubits do que um computador clássico precisaria para resolver o mesmo problema. Aqui, o recurso exigido por um computador quântico não era o tempo, mas o número de componentes físicos. Isso pode parecer promissor, pois sugere que os computadores quânticos podem fazer coisas sem ficarem enormes primeiro, mas não recomendamos comprá-los pela simples razão de que são. A tarefa em questão, novamente, não tinha utilidade óbvia no mundo real.

Certamente, existem problemas do mundo real que seriam adequados para algoritmos de computador quântico, como a determinação das propriedades de moléculas importantes na agricultura ou na medicina, ou a resolução de problemas logísticos, como a programação de voos. Mas a verdade é que os investigadores ainda não conhecem todos os detalhes, por isso têm de dizer “parece”.

por exemplo, pesquisa recente Em relação ao uso potencial da computação quântica em genômica, Aurora Maurício no Instituto Científico San Raffaele, na Itália. Guglielmo Mazzola Os métodos tradicionais de computação são tão bons que “a computação quântica poderá, num futuro próximo, fornecer apenas acelerações para um subconjunto específico de tarefas suficientemente difíceis”, escrevem os autores da Universidade de Zurique, na Suíça. A mensagem do seu trabalho é que os problemas combinatórios em genómica parecem, à primeira vista, ser uma área onde os computadores quânticos podem acelerar a investigação, mas um olhar mais atento revela que a sua utilização deve ser muito direccionada e cuidadosa.

A verdade é que para muitos problemas que não foram construídos especificamente para provar a supremacia quântica, existe uma gama no significado de “rápido”, embora os computadores quânticos possam superar o ruído e todos os outros problemas técnicos e executar algoritmos mais rapidamente do que os computadores clássicos. Não é necessariamente exponencialmente mais rápido, portanto a economia de tempo proporcionada pelos computadores quânticos pode não equilibrar totalmente o custo do hardware. Por exemplo, cientistas da computação rob gloverO algoritmo de busca de Shor é o segundo algoritmo de computação quântica mais famoso depois de Shor, mas fornece apenas uma aceleração de segunda ordem. Reduz o tempo de execução do cálculo em uma raiz quadrada, em vez de exponencialmente. Em última análise, quão rápido é rápido o suficiente para justificar a quantização pode depender do comprador individual do computador quântico.

E eu sei que 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 há muito mais que não sabemos sobre o que os computadores quânticos podem fazer do que sabemos com certeza. A computação quântica é uma tecnologia cara e complexa do futuro, mas temos pouca noção de como ela irá agregar valor às nossas vidas, além de apenas agregar valor aos acionistas de algumas empresas. Não é satisfatório, mas acredito que seja um indicador de quão diferentes e inovadores os computadores quânticos realmente são. que eles realmente são a fronteira da computação.

Mas se você está lendo isso porque tem dinheiro suficiente para comprar o maior e mais confiável computador quântico que puder encontrar, então vá buscá-lo e deixe seu nerd do algoritmo quântico local mexer nele. Eles provavelmente terão conselhos melhores em alguns anos.