Pesquisadores quânticos do Google criaram uma nova abordagem para a simulação quântica que combina métodos analógicos e digitais, estabelecendo uma nova forma de testar os supercomputadores do futuro.
A equipe utilizou um simulador quântico composto por 69 qubits supercondutores para testar sua abordagem. A pesquisa—publicada nesta quarta-feira na revista Nature—revelou as vantagens do sistema em comparação com dispositivos puramente analógicos ou digitais e sugeriu novas descobertas na física que podem ser alcançadas com essa abordagem híbrida.
“Estamos muito empolgados porque acreditamos que isso pode ser um ótimo caminho para novas descobertas e aplicações nos computadores quânticos atuais”, disse Trond Andersen, cientista pesquisador do Google Quantum AI e autor principal da pesquisa, em uma coletiva de imprensa.
“O tipo de descobertas e aplicações que não seriam possíveis nem mesmo nos computadores clássicos mais rápidos do mundo.”
Os qubits de um computador quântico funcionam de forma semelhante aos bits em computadores clássicos, mas precisam ser mantidos em condições extremamente delicadas—geralmente em ambientes super-resfriados—para permanecerem em um estado quântico. Se houver muito ruído no sistema, a operação quântica entra em colapso. Físicos esperam que os sistemas e testes de hoje estejam pavimentando o caminho para computadores quânticos tolerantes a falhas, que são mais robustos e capazes de realizar operações por muito mais tempo do que os sistemas atuais.
A combinação do melhor dos dois mundos
Em uma simulação digital, as dinâmicas quânticas são criadas acoplando dois qubits por vez—uma forma flexível de construir sistemas quânticos que permite aos pesquisadores criar diferentes configurações de maneira incremental. Já as simulações analógicas funcionam de forma diferente, medindo continuamente as dinâmicas entre todos os qubits, oferecendo uma representação mais realista da evolução rápida das partículas com propriedades quânticas.
“O principal recurso da computação quântica—o emaranhamento—cresce de forma muito mais rápida quando todos esses acoplamentos estão ativos simultaneamente”, explicou Andersen. “O que queremos é, na verdade, o melhor dos dois mundos.”
Na prática, a equipe preparou o estado quântico usando portas digitais, o que proporcionou flexibilidade no estado inicial do sistema. Em seguida, eles alternaram a simulação para o modo analógico, permitindo uma evolução rápida do sistema até atingir estados quânticos interessantes antes que o ruído interferisse. Após isso, a simulação foi revertida para o modo digital, permitindo que a equipe analisasse o estado com mais versatilidade do que seria possível apenas no modo analógico.
Resultados que desafiam a física tradicional
Através da abordagem analógico-digital, os pesquisadores descobriram que a simulação quântica—e até mesmo as simulações realizadas por computadores clássicos—desafiavam as previsões existentes. Especificamente, a equipe identificou uma discrepância entre suas simulações e o mecanismo de Kibble-Zurek, uma teoria desenvolvida para descrever como os campos no universo primitivo podem ter quebrado a simetria. Esse mecanismo prevê a dinâmica e os defeitos em um sistema que acelera em uma taxa finita.
“Nossos resultados não concordam com essa previsão de forma alguma, e isso nos preocupou no início”, disse Andersen. “Mas, ao realizarmos mais experimentos, conseguimos mostrar que isso não é um erro, é uma nova física.”
O futuro da computação quântica
O santo graal da pesquisa quântica é desenvolver um computador capaz de resolver problemas que os computadores clássicos simplesmente não conseguem. Para testar como seria esse computador, os cientistas precisam explorar sistemas quânticos e seus estados sem permitir que o ruído se acumule excessivamente no sistema.
O experimento foi realizado no processador quântico Sycamore do Google, que foi superado pelo processador Willow no final do ano passado. O próximo passo da equipe é rodar as mesmas simulações no Willow, o que pode trazer resultados ainda mais interessantes. O Google declarou ter atingido a supremacia quântica em 2019, quando o Sycamore resolveu um problema em 200 segundos que levaria um supercomputador clássico cerca de 10.000 anos para resolver. No entanto, o desempenho do Willow em um teste de destaque entre quântico e clássico levaria o supercomputador clássico mais rápido 10 septilhão de anos para resolver.
Embora a equipe recente tenha conseguido replicar suas simulações quânticas em um regime clássico, também demonstrou que o sistema quântico tem desempenho suficiente no teste de Random Circuit Sampling (RCS) para superar as capacidades de um dispositivo clássico. O cenário está montado para testes analógico-digitais no Willow, que podem indicar a viabilidade da configuração para tarefas cada vez mais complexas.
O que vem pela frente?
Em resumo: o progresso continua a ser feito em um ritmo exponencial, e embora seja difícil prever para onde a tecnologia quântica nos levará, provavelmente chegaremos lá antes do fim do universo.
O Google está se aproximando do terceiro marco em sua estratégia de seis etapas rumo a um computador quântico com correção de erros. Esse objetivo pode ainda estar a décadas de distância, mas o cientista-chefe da equipe acredita que aplicações comerciais da tecnologia podem surgir nos próximos cinco anos.
Não prenda a respiração—é o mesmo conselho que damos aos otimistas da fusão nuclear—mas os pesquisadores estão avançando rumo a computadores quânticos úteis.
