Rodeio, o algoritmo quântico que derruba do qubit valores menos competentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/12/2021

O algoritmo rodeio chacoalha todos os estados de energia quântica (E) até que apenas o estado de energia desejado permaneça montado.
[Imagem: Dean Lee]

Algoritmo rodeio

Cientistas da computação e físicos especializados em mecânica quântica se juntaram para criar um novo algoritmo para computação quântica que promete tornar esses computadores futurísticos ordens de magnitude mais eficientes do que é possível hoje.

Ele foi batizado de "algoritmo rodeio" por Kenneth Choi e seus colegas da Faculdade Ridgefield e da Universidade do Estado de Michigan, nos EUA.

O nome é uma referência aos rodeios de cavalos, em que animais bravios "ejetam" cavaleiros menos competentes em menos tempo.

Do mesmo modo, os qubits do computador quântico receberão os dados iniciais de forma simples e direta, mas com muitas variáveis que podem ser modificadas. Em seguida, o processador produz diferentes combinações de como as variáveis evoluem ao longo do tempo.

Então, como um cavalo em um rodeio, o computador "arremessa fora" os estados de energia dos qubits que não correspondem aos objetivos do cálculo computacional. E o resultado - o cavaleiro mais competente - está pronto, ainda devidamente "montado" nos qubits.

E a vantagem é de estatelar-se no chão: O algoritmo rodeio é exponencialmente mais rápido do que os algoritmos atuais.

Rodeio quântico

Uma das vantagens dos processadores quânticos é que você não precisa tentar prever todos os comportamentos, interações e variações das partículas que compõem um sistema: Os próprios qubits seguem naturalmente as regras da mecânica quântica, e se comportam como tal, dando os resultados diretamente.

É por isso que é possível simular diretamente a natureza em um computador quântico, algo que é incrivelmente difícil - é virtualmente impossível na prática - com um computador eletrônico tradicional.

Em um processador quântico, os qubits têm muitos valores potenciais. Por exemplo, as várias partículas podem ter uma ampla gama de diferentes níveis de energia. Todos os cálculos começam gravando os dados iniciais nos qubits, algo que os físicos chamam de "preparar os estados de energia".

Para usar o processador - ou o simulador quântico - primeiro é preciso determinar o estado de energia exigido pelo programa. A partir daí, cada algoritmo conduz o processo de uma maneira que pode ser mais ou menos eficiente, dependendo do próprio algoritmo.

É aí que entra a vantagem do algoritmo rodeio: Ele começa com os dados mais simples possíveis e com uma liberdade total em termos de variações nesses dados. Ele prossegue produzindo diferentes combinações de como essas variáveis evoluem ao longo do tempo - o equivalente aos pinotes do cavalo durante o rodeio - e, finalmente, expulsa os estados de energia que não correspondem aos objetivos do cálculo.

Outra vantagem é que o algoritmo rodeio requer relativamente poucos qubits e poucas portas quânticas, apenas um pouco mais do que o mínimo necessário para evoluir um sistema quântico ao longo do tempo - portas quânticas são o equivalente em computação quântica aos circuitos fundamentais da eletrônica, também conhecidos como portas lógicas, capazes de fazer cálculos simples, como "OR" (para gerar uma saída igual a 1, pelo menos um entrada deve ser igual a 1), "AND" (para gerar uma saída igual a 1, todas as entradas devem ser iguais a 1), "NOT" (a saída sempre será o contrário do valor de entrada) etc.

Todos os "cavaleiros", representados pelas bolinhas, são derrubados, até que apenas o melhor deles - o valor exato - permaneça.
[Imagem: Kenneth Choi et al. - 10.1103/physrevlett.127.040505]

Exponencialmente mais rápido

Já existem processadores e simuladores de computação quântica capazes de simular sistemas pequenos. No entanto, quando se trata de preparar os estados de energia iniciais, o algoritmo rodeio é exponencialmente mais rápido do que outros algoritmos quânticos bem conhecidos, como estimativa de fase ou evolução adiabática.

Segundo a equipe, o rodeio consiste em uma nova abordagem para computar estados de energia, sendo eficiente tanto em termos de recursos de computação, quanto de velocidade.

"O algoritmo rodeio é um candidato promissor para estudos futuros de sistemas quânticos de muitos corpos em física nuclear, física de partículas, física da matéria condensada, sistemas atômicos e moleculares e química quântica," escreveu a equipe.

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