Vencedor do Prêmio Nobel diz que construirá o computador quântico mais poderoso do mundo

John Martinis é um especialista em hardware. Ele prefere o âmago da questão de fazer física em um laboratório ao mundo idealizado dos livros didáticos. Mas eu não poderia escrever um livro de história da computação quântica sem ele. Ele foi figura central em dois dos momentos mais importantes do campo. E ele está trabalhando duro para perseguir o próximo.

Tudo começou na década de 1980, quando Martinis e colegas conduziram uma série de experimentos para explorar os limites do que se sabia sobre os efeitos quânticos. Esta pesquisa lhe rendeu o Prêmio Nobel no ano passado. Quando ele era estudante de graduação na Universidade da Califórnia, Berkeley, sabíamos que as partículas elementares eram afetadas por efeitos quânticos, mas a questão era se o mundo da mecânica quântica poderia ser estendido a escalas maiores.

Martinis e seus colegas construíram e estudaram circuitos feitos de uma mistura de supercondutores e isolantes, e descobriram que muitas partículas carregadas no circuito se comportavam como se fossem uma única partícula quântica. Esta é a natureza quântica macroscópica e lançou as bases para a construção de alguns dos computadores quânticos mais poderosos da atualidade, incluindo aqueles que estão sendo promovidos atualmente pela IBM e pelo Google. Na verdade, o trabalho de Martinis desencadeou uma tendência de grandes empresas de tecnologia usarem os bits quânticos mais utilizados no mundo hoje: bits quânticos, ou bits quânticos, feitos a partir de circuitos supercondutores.

Martinis causou um segundo impacto na área quando liderou uma equipe de pesquisadores do Google que construiu o primeiro computador quântico a alcançar a supremacia quântica. Por quase cinco anos, foi o único computador do mundo capaz de verificar a saída de circuitos quânticos aleatórios, quânticos ou não. Foi então derrotado pelos computadores clássicos.

Agora com quase 70 anos, Martinis acredita que qubits supercondutores podem ajudá-lo a alcançar outra vitória histórica. Em 2024, foi cofundador da empresa de computação quântica QoLab. QoLab diz que adota uma abordagem fundamentalmente nova para o que todos na área têm buscado: criar um computador quântico verdadeiramente prático.

Carmela Padavich Callahan: Você causou sensação no início de sua carreira fazendo um trabalho realmente fundamental. Quando você começou a entender que seus experimentos poderiam levar a novas tecnologias?

John Martinis: Havia uma questão sobre se as variáveis ​​macroscópicas poderiam contornar a mecânica quântica e, como eu era jovem e tinha acabado de aprender mecânica quântica, parecia algo que precisava ser testado. Talvez se você fosse mais velho, você poderia ter pensado que a mecânica quântica funcionaria. Mas para um jovem estudante, realizar um teste fundamental de mecânica quântica parecia um grande experimento.

A primeira coisa que fizemos foi montar um experimento muito rudimentar e rápido usando a tecnologia disponível na época. Quando coletamos os dados, o experimento foi um fracasso total. Mas não foi um problema porque consegui falhar rapidamente. Afinal, foi um experimento que exigiu compreensão da engenharia de microondas. Tivemos que entender o barulho e houve muito trabalho técnico que tivemos que fazer, mas então (o sucesso) aconteceu rapidamente.

Nos 10 anos seguintes, fizemos esse experimento e construímos dispositivos quânticos. Desde então, a teoria da computação quântica fez avanços significativos. Em especial, o algoritmo Scholl (cálculo de grandes números para quebrar códigos), e logo em seguida a correção de erros (algoritmos). Isso deu ao campo uma base sólida. As pessoas agora podem imaginar construir algo. Isso possibilitou arrecadar fundos.

Como o financiamento mudou a pesquisa e, em última análise, a tecnologia?

A situação mudou significativamente desde a década de 1980. Na época, as pessoas ainda não haviam testado se um único sistema quântico poderia ser manipulado e medido adequadamente. É interessante o que aconteceu nos últimos 40 anos. A computação quântica se tornou um campo enorme. O que mais nos orgulha é que muitos físicos estão agora a ser empregados para compreender a mecânica quântica destes sistemas supercondutores e para construir computadores quânticos.

Você esteve envolvido nos primeiros dias da computação quântica. Como isso ajuda você a entender para onde o campo está indo agora?

Estou envolvido nesta área há muito tempo, então entendo os fundamentos da física. Construí a primeira eletrônica de micro-ondas (um dispositivo quântico) com um grupo da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e depois, no Google, construímos nosso próprio criostato (um dispositivo que mantém computadores quânticos supercondutores resfriados às temperaturas extremamente baixas necessárias para operar). Estive envolvido na produção de todos os elementos. Acho que muitas pessoas estão apenas otimistas de que continuaremos avançando, mesmo que não tenhamos passado por tudo isso. Eu sei onde estão todos os problemas. Acho que tenho uma vantagem porque, se quiser construir um sistema de computação muito complexo, é tudo engenharia de sistemas e tenho um bom conhecimento de toda a física básica.

Como você acha que o hardware dos computadores quânticos precisa mudar para que os computadores quânticos sejam úteis e práticos? Em que mudanças você está apostando como início do próximo avanço?

Depois que deixei o Google, repensei todos os fundamentos de pensar sobre computadores quânticos como sistemas completos e o que realmente precisamos construir e melhorar. O QoLab é baseado nisso, com algumas mudanças bastante dramáticas na forma como os qubits são construídos (em termos de tecnologia de fabricação) e na forma como a fiação é montada em geral, especialmente a fiação.

O que percebemos é que para tornar a tecnologia mais confiável e com custos mais baixos, precisamos pensar em construir computadores quânticos de uma forma completamente diferente. É difícil e difícil para as pessoas entenderem. Recebemos uma quantidade surpreendente de resistência e ceticismo, mas na minha experiência de fazer física durante décadas, isso significa que temos uma boa ideia.

Às vezes ouvimos que para criar um computador quântico verdadeiramente útil e livre de erros, precisaríamos de milhões de qubits. Como você chega lá?

Faremos a maior mudança na fabricação, especialmente na fabricação de chips quânticos, e essa também é a parte mais difícil. Se você observar o que o Google, a IBM, a Amazon e muitas outras empresas estão fazendo, verá que elas estão usando técnicas de fabricação que parecem ter sido usadas nas décadas de 1950 ou 1960. Não conheço nenhuma indústria que construa circuitos reais dessa forma atualmente. Portanto, nossa visão é que se você deseja criar um milhão de qubits e aumentar a confiabilidade, precisa fazer algo diferente.

Estamos muito entusiasmados com a capacidade de mudar fundamentalmente a forma como esses dispositivos são construídos. E temos uma arquitetura de chip que nos ajuda a nos livrar de todos os fios. Se você olhar a imagem de um computador quântico (supercondutor), verá que é apenas uma selva de fios e componentes de micro-ondas. Queremos ser capazes de colocar tudo isso em um chip e aumentá-lo. Um grande problema com qubits supercondutores é o problema de interconexão, e estamos trabalhando para resolvê-lo.

Você acha que haverá um vencedor claro na corrida por um computador quântico prático em, digamos, cinco anos?

Existem muitas maneiras diferentes de construir computadores quânticos e, dado que as restrições de engenharia do sistema são tão difíceis, acho que é bom abordar esse problema de maneiras diferentes. Acho que é bom que ideias diferentes sejam financiadas. Porque então as pessoas estarão mais propensas a fazer uma descoberta. Mas quando você pensa sobre essas restrições, e há muitas delas, acho que muitos projetos são um pouco ingênuos sobre o que realmente é necessário para atender às restrições, como controlar custos e produzir dispositivos em escala. Por outro lado, penso que muitas equipas de investigação têm ideias para resolver problemas de design sobre os quais não falam publicamente.

Acho que o plano de negócios da QoLab é um pouco diferente, talvez até único, na medida em que abraçamos a colaboração porque sentimos que precisamos de toda a nossa experiência. Trabalhamos com empresas de hardware que sabem escalar e métodos de fabricação sofisticados.

Se alguém lhe desse amanhã um computador quântico muito grande e sem erros, o que você tentaria primeiro?

Estou muito interessado em usar computadores quânticos para resolver problemas de química quântica e materiais quânticos. Houve alguns artigos recentes sobre como usá-lo para auxiliar (extrair informações mais úteis) experimentos de ressonância magnética nuclear (NMR) em química, e eu realmente gosto disso como primeira aplicação. Devido às dificuldades fundamentais da mecânica quântica, este problema quântico é difícil de resolver com supercomputadores clássicos. Mas, é claro, isso será resolvido fundamentalmente com computadores quânticos. É apenas mapear um problema quântico em um computador quântico. Fico entusiasmado com isso porque gosto de ter uma ideia clara de como construir (um dispositivo) e também porque as pessoas estão desenvolvendo algoritmos claros para fazer isso (aplicativos como aprimoramento de NMR).

Muitas pessoas podem pensar em fazer algo com problemas de otimização ou inteligência artificial quântica, por exemplo. Para mim, é mais uma coisa de “experimentar e ver se funciona”. A teoria por trás dos materiais e das aplicações químicas é muito mais clara. Sabemos quão grande[um computador quântico]deve ser. Acho que essa máquina pode ser construída tanto em tamanho quanto em velocidade de execução.

Algumas das aplicações potenciais para computadores quânticos foram determinadas matematicamente há mais de 30 anos. Por que eles ainda não se tornaram realidade?

Podemos abstrair o comportamento dos qubits e imaginar como construir computadores quânticos. Isso é ótimo. Porque então você poderá fazer com que cientistas da computação, matemáticos e teóricos pensem sobre isso. Mas o verdadeiro problema aqui é que qubits reais têm fontes de ruído (como calor de fios externos ou impurezas no próprio material do qubit) e problemas físicos. Muitos dos esforços em larga escala na computação quântica são conduzidos por teóricos, e tudo bem, mas os sistemas reais são muito mais complexos, assim como o que é necessário para construir um hardware que funcione adequadamente.

No grupo de (meu supervisor de pós-graduação) John Clark, fui treinado para entender o ruído. Esse tipo de experiência foi muito benéfica para mim e para as pessoas com quem trabalhei. Porque estávamos pensando em qubits dessa forma muito física e tentando remover os mecanismos físicos de ruído que tornam o chip não confiável. Foi isso que aconteceu no experimento da supremacia quântica. (Parte do ruído vem do fato de que você tem esses “estados de dois níveis” em seu dispositivo e está manipulando o dispositivo para evitá-los. Você pode fazer isso funcionar, mas dá muito trabalho e é difícil de escalar. Minha esperança é livrar-se desse efeito (agora) ou reduzi-lo. Para entender isso, precisamos entrar nos detalhes do design do qubit.

O problema é que precisamos de ideias tanto de hardware quanto de aplicações, mas acho que precisamos de mais melhorias em hardware em todo o campo. Então é nisso que estou me concentrando.