Computadores quânticos finalmente alcançam superioridade incondicional

O que os computadores quânticos podem fazer que os computadores quânticos tradicionais nunca poderão fazer? Esta é uma das maiores questões enfrentadas pela nossa indústria em rápido crescimento e finalmente temos uma resposta sólida.

Em vez de bits clássicos, os computadores quânticos usam qubits, que podem existir em mais estados do que “0” ou “1”, o que teoricamente fornece vantagens computacionais. Mas se um computador quântico pode realizar algo impossível ou irreal, mesmo com os melhores computadores convencionais – feitos de supremacia quântica – provou ser uma questão difícil e controversa de responder. Isto ocorre porque um verdadeiro exemplo de supremacia quântica deve ser uma tarefa computacional prática que possa ser testada e comprovada em hardware quântico realista, de modo que todos os truques matemáticos e algorítmicos que possam ajudar os computadores clássicos a eventualmente alcançá-los devem ser estritamente excluídos.

William Kretschmer Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin concluíram agora experimentos que atendem a ambos os critérios. Ao contrário de algumas reivindicações anteriores de supremacia quântica, nas quais os computadores clássicos eventualmente colmataram a lacuna de desempenho com os computadores quânticos, os investigadores dizem agora que “os nossos resultados são comprováveis ​​e duráveis, e os desenvolvimentos futuros em algoritmos clássicos não podem colmatar esta lacuna”.

A equipe de pesquisa utilizou 12 qubits feitos de íons controlados por lasers, construídos pela empresa de computação quântica Quantinuum, para realizar experimentos enraizados na matemática da complexidade da comunicação. O objetivo é encontrar a maneira mais eficiente para dois experimentadores hipotéticos, Alice e Bob, enviarem mensagens um ao outro para completar um cálculo.

A parte do computador quântico que atua como Alice prepara um determinado estado quântico e o envia para outra parte da máquina, Bob. Bob precisa decidir como medir o estado de Alice para aprender suas propriedades e produzir resultados. Ao repetir esse processo, a dupla pode construir uma maneira de prever qual será o resultado de Bob antes que Alice revele seu estado.

Os pesquisadores repetiram essa etapa 10 mil vezes para otimizar a forma como Alice e Bob executavam cada parte do processo. Depois de analisar todos esses testes, combinados com uma investigação matemática rigorosa do próprio protocolo, descobrimos que nenhum algoritmo clássico com menos de 62 bits poderia igualar o desempenho de um computador quântico de 12 qubits para esta tarefa. O menor caso em que conseguimos provar que o algoritmo clássico poderia atingir o mesmo desempenho exigiu 330 bits. Isso é quase uma diferença de 30x no poder de computação necessário.

“Este é um resultado científico notável que mostra que o cenário da ‘vantagem quântica’ é mais difundido do que algumas pessoas pensam”, diz ele. Ashley Montanaro na Universidade de Bristol, Reino Unido. “Ao contrário da maioria das demonstrações de superioridade ou supremacia quântica, não há esperança de que um algoritmo clássico melhor seja encontrado. É impossível.”

Ronald de Lobo Pesquisadores do Instituto Holandês de Matemática e Ciência da Computação dizem que o experimento aproveita efetivamente as recentes melhorias rápidas nos computadores quânticos existentes e é baseado em ideias da teoria da complexidade da comunicação que têm sido estudadas há décadas.

“Sabemos que a complexidade da comunicação é a causa da separação entre quântico e clássico, mas isso é comprovável e real. A diferença é que, graças aos avanços no hardware, podemos agora implementar o modelo pela primeira vez”, diz ele. “E eles criaram um novo problema de complexidade de comunicação que tinha uma lacuna maior entre o clássico e o quântico. Portanto, mesmo com apenas 12 qubits, essa lacuna já está aparecendo.”

Os novos resultados destacam-se de muitas demonstrações anteriores de supremacia quântica, mas partilham uma característica importante. Não está claro se isso ajudará imediatamente. Exemplos de benefícios quânticos que poderiam ter um grande impacto no mundo real, como o algoritmo de Scholl, que poderia mudar fundamentalmente a criptografia, ainda não foram confirmados em termos de comprovabilidade.

No futuro, os investigadores poderão melhorar os seus resultados, por exemplo, transformando Alice e Bob em dois computadores separados. Fazer isso evitaria a possibilidade de interações inexplicáveis ​​entre os dois computadores afetarem os resultados dos computadores quânticos, mas a utilidade da supremacia quântica é uma questão mais importante, diz de Wolff.

“Ir além da supremacia (quântica) deveria ser um passo em direção à supremacia (quântica) útil, e os computadores quânticos têm um desempenho muito melhor do que os clássicos para problemas realmente interessantes, como cálculos químicos e otimização logística”, diz ele.