Chip Willow de computação quântica do Google
IA quântica do Google
Os pesquisadores do Google Quantum AI usaram computadores quânticos Willow para ajudar a interpretar dados de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), um método central de pesquisa em química e biologia. Esta pesquisa coloca os computadores quânticos à beira de extensões potencialmente úteis de tecnologias moleculares comuns.
O uso mais rigorosamente comprovado para computadores quânticos é a quebra de códigos, mas os dispositivos atuais são muito pequenos e propensos a erros para executar algoritmos de descriptografia. Mas outra área onde podem fazer progressos é a aceleração dos procedimentos utilizados para descobrir novos medicamentos e materiais. Tais procedimentos são de natureza quântica e, portanto, adequados às capacidades dos computadores quânticos. Hartmut Neven Nossos colegas do Google Quantum AI demonstraram um exemplo em que a capacidade dos computadores quânticos de “falar a mesma linguagem da natureza” pode ser valiosa.
A pesquisa da equipe se concentrou em um protocolo computacional chamado eco quântico e como ele pode ser aplicado à RMN, que é usado para determinar detalhes finos da estrutura molecular.
A ideia central do Quantum Echoes é semelhante ao efeito borboleta. O efeito borboleta é um fenômeno no qual uma pequena perturbação, como o bater das asas de uma borboleta causando uma tempestade distante, pode ter um grande impacto no sistema maior do qual faz parte. Os pesquisadores usaram uma versão quântica disso em um sistema composto por 103 qubits em Willow.
No experimento, os pesquisadores primeiro aplicaram uma série específica de operações ao qubit, alterando seu estado quântico de forma controlada. Eles então selecionam um qubit específico para perturbar, que atua como uma “borboleta quântica” e aplicam a mesma sequência de operações de antes, como rebobinar uma fita de vídeo, mas ao contrário ao longo do tempo. Por fim, a equipe mediu as propriedades quânticas dos qubits e os analisou para obter informações sobre todo o sistema.
No sentido mais simples, o procedimento de RMN utilizado em laboratório também se baseia em pequenas perturbações, desta vez cutucando moléculas reais com ondas eletromagnéticas e analisando como o sistema reage para determinar as posições relativas dos átomos, como uma régua molecular.. Se as operações de qubit emularem esse processo, a análise matemática dos qubits também poderá ser traduzida em detalhes estruturais das moléculas. TSuas etapas de computação quântica têm o potencial de ver átomos distantes uns dos outros. membros da equipe dizem Tom O’Brien. “Estamos construindo governantes moleculares mais longos.”
Os pesquisadores estimam que um protocolo semelhante ao Quantum Echoes levaria cerca de 13 mil vezes mais tempo para ser executado em um supercomputador tradicional. Seus testes também mostraram que dois computadores quânticos diferentes podem realizar, cada um, um eco quântico e produzir os mesmos resultados, o que não foi o caso de alguns algoritmos quânticos que a equipe defendeu no passado. O’Brien disse que isso foi possível em parte devido às rápidas melhorias na qualidade do hardware da Willow, incluindo taxas de erro mais baixas para seus qubits.
No entanto, ainda há espaço para melhorias. Quando os pesquisadores usaram Willow e Quantum Echoes em duas moléculas orgânicas, eles usaram apenas até 15 qubits por vez, e os resultados puderam ser comparados por métodos tradicionais não quânticos. Em outras palavras, a equipe ainda não provou que a Willow tem uma clara vantagem prática sobre sua contraparte tradicional. Esta demonstração específica de aplicação do eco quântico é atualmente preliminar e não passou por um processo formal de revisão por pares.
“O problema da determinação da estrutura molecular é um problema muito importante e relevante”, afirma. Keith Fratus Na HQS Quantum Simulations, empresa alemã que desenvolve algoritmos quânticos. Ele diz que estabelecer a ligação entre técnicas estabelecidas como a RMN e os cálculos realizados em computadores quânticos é um passo importante, mas por enquanto a utilidade desta tecnologia será provavelmente limitada a pesquisas altamente especializadas em biologia.
Dóris vende Os professores da Universidade de Nova York disseram que os experimentos de sua equipe usam grandes computadores quânticos e consideram protocolos e moléculas de RMN mais complexos do que eles e seus colegas modelaram anteriormente em computadores quânticos. “A simulação quântica é frequentemente citada como um dos casos de uso promissores para computadores quânticos, mas há surpreendentemente poucos exemplos de casos industrialmente interessantes. Acho que a inferência de modelos de dados espectroscópicos como NMR pode ser útil”, diz ele. “Acho que ainda não chegamos lá, mas esforços como esse nos motivam a continuar estudando esse problema”.
O’Brien diz que a aplicação do eco quântico à RMN se tornará ainda mais útil à medida que a equipe continuar a melhorar o desempenho dos qubits. Quanto menos erros houver, mais erros o protocolo poderá usar de uma só vez e mais moléculas maiores poderão ser levadas em consideração.
Entretanto, a busca por aplicações ideais para computadores quânticos está longe de terminar. Embora executar Quantum Echoes em Willow seja muito impressionante experimentalmente, é improvável que a análise matemática que ele permite seja amplamente utilizada. Kurt Von Kaiserring No King’s College de Londres. Até que os especialistas em NMR rompam decisivamente com o que vêm fazendo há décadas, diz ele, seu principal apelo será para os teóricos físicos focados na pesquisa fundamental em sistemas quânticos. E este protocolo pode não ser totalmente preparado para o futuro. Von Keyserlingk diz que já tem ideias sobre como a computação tradicional pode competir com este protocolo.
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