Protótipo inicial do Jiuzhang 4.0, um computador quântico com benefícios quânticos
Chao-Yang Lu/Universidade de Ciência e Tecnologia da China
Os computadores quânticos podem ter alcançado a “supremacia quântica” ao executar tarefas que os melhores supercomputadores do mundo não conseguem igualar. Os especialistas estimam que seriam necessários trilhões de vezes a idade do universo para reproduzir os cálculos nas máquinas clássicas. Mas o que esse feito significa para o desenvolvimento de computadores quânticos verdadeiramente práticos?
O novo recordista é um computador quântico chamado Jiuzhang 4.0, que utiliza partículas de luz, ou fótons, para realizar cálculos. Chaoyan Lu da Universidade de Ciência e Tecnologia da China usou-o para amostragem de bósons gaussianos (GBS). Nesta tarefa, uma amostra de fótons é medida depois que as partículas passam pelo vasto e complexo arranjo de espelhos e divisores de feixe do computador.
Gravações anteriores desta tarefa usaram menos de 300 fótons, mas neste caso Jiuzhang usou 3.090 partículas. Esta é uma melhoria de 10x e representa um aumento no poder computacional. Lu e seus colegas estimam que seriam necessárias 10 horas para executar o algoritmo de ponta no supercomputador mais poderoso do mundo.42 Demorou anos para simular o que Jiuzhang completou em 25,6 microssegundos.
“O resultado é, sem dúvida, uma grande conquista técnica”, afirma. Jonathan Lavoie A startup canadense de computação quântica Xanadu detém o recorde de GBS com 219 fótons. Chris Langer A empresa de computação quântica Quantinuum já demonstrou os benefícios do quantum com diferentes tipos de computadores quânticos e diz que este é um grande avanço. “Acho importante poder provar que os sistemas quânticos não podem ser simulados”, diz ele.
Mas Kuzhangki já esteve aqui antes. Os pesquisadores usaram muitas vezes versões anteriores de computadores quânticos para demonstrar GBSs contendo um grande número de fótons que pareciam impossíveis de simular com computadores convencionais. Em todas as vezes, eles foram frustrados porque os computadores clássicos reproduziam os resultados, às vezes em menos de uma hora.
Bill Fefferman Um professor da Universidade de Chicago, Illinois, que trabalhou em um desses algoritmos clássicos vencedores, diz que preocupações significativas estão impedindo os dispositivos ópticos. Isso significa que muitos fótons são perdidos ao passarem pelo computador quântico, criando ruído no dispositivo. “Aqui, eles reduziram a taxa de ruído e ao mesmo tempo aumentaram o experimento, e isso parece estar causando dificuldades para o nosso algoritmo, pelo menos por enquanto”, diz Pfefferman.
Lu disse que superar a perda de fótons foi o maior desafio que sua equipe enfrentou no novo experimento. No entanto, Jiuzhang ainda não está completamente livre de ruído e ainda há espaço para novas estratégias clássicas de simulação para desafiar seu status de campeão.
“Na minha opinião, eles ainda não estão em condições de se convencerem de que tal estratégia não é possível”, disse ele. Jelmar Renema Na Universidade de Twente, Holanda.
Há um “ciclo virtuoso” aqui, diz Fefferman, com a competição entre algoritmos clássicos e dispositivos quânticos nos aproximando cada vez mais da compreensão da fronteira indescritível entre os mundos clássico e quântico. Do ponto de vista da ciência básica, esta é uma vitória para todos. Mas se isso irá mover a computação quântica para máquinas mais poderosas de uma forma útil é outra questão.
Langer disse que embora o GBS seja uma “referência básica” em termos de estabelecer a diferença entre computadores quânticos e computadores clássicos, seus resultados não refletem diretamente a utilidade dos computadores. De uma perspectiva de teoria matemática rigorosa, diz ele, é difícil avaliar que o GBS é uma “prova definitiva” da superioridade quântica e identificar um caminho claro para transformar uma máquina que seja boa em GBS numa que seja boa em tarefas mais aplicadas. Nicolau Quesada Na Politécnica de Montreal, Canadá.
Uma razão para isso é que o hardware de Jiuzhang é tão altamente especializado que os computadores quânticos não podem ser programados para realizar quaisquer cálculos. “Embora possa ter vantagens computacionais para tarefas restritas, falta-lhe um elemento-chave para computação quântica útil e tolerante a falhas”, diz Lavoie. A tolerância a falhas aqui se refere à capacidade dos computadores quânticos de identificar e corrigir seus próprios erros, uma capacidade há muito procurada que os computadores quânticos práticos ainda não alcançaram.
Ao mesmo tempo, o Sr. Lu e sua equipe propuseram diversas aplicações para avaliar a excelente capacidade de Jiuzhang em relação ao GBS. Este processo pode aprimorar cálculos relacionados a problemas matemáticos específicos relacionados ao reconhecimento de imagens, química e aprendizado de máquina. Fábio Sciarrino Professores da Universidade Sapienza de Roma, em Itália, dizem que esta abordagem à computação quântica ainda está na sua infância, mas, se for bem-sucedida, poderá criar um paradigma inteiramente novo.
Especificamente, Sciarrino disse que avanços de hardware como este último dispositivo Kuhari poderiam permitir aos pesquisadores construir computadores quânticos superiores baseados em luz. Eles são programados de maneiras completamente novas e se destacam em tarefas relacionadas ao aprendizado de máquina.
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