Computador quântico funciona de marcha-a-ré para acelerar cálculos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/05/2023

Os dados de cada operação são guardados como estados fundamentais dos qubits, permitindo sua reversão.
[Imagem: Cortesia MaLab/Nanjing University]

Invertendo os cálculos

Pesquisadores austríacos idealizaram um novo tipo de computador quântico que consegue funcionar de marcha-a-ré, invertendo os cálculos, saindo dos resultados para chegar aos operandos.

Isso é revolucionário para uma das tarefas mais computacionalmente intensivas e mais usadas hoje: a fatoração, usada em problemas de otimização, criptografia, cálculo de números primos e uma infinidade de outros usos.

Os computadores eletrônicos tradicionais são baseados em processadores formados por portas lógicas. Uma porta pode, por exemplo, ser uma operação AND, ou seja, uma operação que adiciona dois bits. Essas portas são irreversíveis, ou seja, os algoritmos não podem simplesmente rodar para trás.

"Se você fizer a multiplicação 2 x 2 = 4, não poderá simplesmente executar essa operação ao contrário, porque 4 pode ser 2 x 2, mas também 1 x 4 ou 4 x 1," explica o professor Wolfgang Lechner, da Universidade de Innsbruck.

Se isso fosse possível, porém, seria factível fatorar números grandes, ou seja, dividi-los em seus fatores, reduzindo enormemente a carga computacional, já que não seria necessário testar cada uma das alternativas até encontrar os operandos corretos.

Os operandos e o resultado da porta lógica tradicional são transpostos para os qubits.
[Imagem: Martin Lanthaler et al. - 10.1038/s42005-023-01191-3]

Fatoração quântica

A equipe austríaca agora desenvolveu uma técnica que permite fazer essa reversão dos algoritmos usando um processador quântico.

O ponto de partida é um circuito lógico clássico, a tradicional porta lógica que multiplica dois números. Se dois números inteiros forem inseridos como valor de entrada, o circuito retornará seu produto - esse circuito continua sendo capaz de fazer apenas operações irreversíveis.

"No entanto, a lógica do circuito pode ser codificada nos estados fundamentais de um sistema quântico," explicou Martin Lanthaler, membro da equipe. "Assim, tanto a multiplicação quanto a fatoração podem ser entendidas como problemas de estado fundamental e resolvidas usando métodos de otimização quântica."

Para isso, os dados da multiplicação são transpostos para qubits do processador quântico, que os armazena como o estado fundamental de cada qubit. Dessa forma, para reverter a operação basta encontrar novamente o estado fundamental de cada qubit, o que pode ser feito mesmo depois de a operação ter sido realizada.

"O núcleo do nosso trabalho é a codificação dos blocos de construção básicos do circuito multiplicador, especificamente portas AND, meio somadores e somadores completos, com a arquitetura de paridade como um problema de estado fundamental, [o que é feito] em um conjunto de spins interativos," detalhou Lanthaler.

Esquema da implementação proposta pela equipe, que funciona em qualquer computador quântico.
[Imagem: Martin Lanthaler et al. - 10.1038/s42005-023-01191-3]

Funciona em qualquer computador quântico

A codificação permite que todo o circuito seja construído a partir de subsistemas simples, blocos de construção básicos que podem ser reproduzidos e dispostos em uma matriz bidimensional - para resolver problemas maiores, basta agrupar uma maior quantidade desses subsistemas.

Assim, em vez do método clássico de força bruta, como é feito nos computadores atuais, com todos os fatores possíveis precisando ser testados em sequência, o método quântico acelera drasticamente o processo de busca: Para encontrar o estado fundamental dos qubits e, assim, resolver um problema de otimização, por exemplo, não é necessário pesquisar toda a paisagem energética dos qubits, mas apenas procurar pelos vales, o que pode ser feito por meio do fenômeno quântico do tunelamento.

Segundo a equipe, essa arquitetura de paridade pode ser implementada em todas as plataformas de computação quântica disponíveis hoje.

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