IBM mostra avanços na computação quântica. Entenda

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/06/2023

Uma visão interna do criostato que resfria o IBM Eagle, um processador quântico de escala utilitária contendo 127 qubits - a escala de utilidade é um ponto em que os computadores quânticos podem servir como uma ferramenta científica para explorar uma escala de problemas que os métodos clássicos podem não ser capazes de resolver.
[Imagem: IBM Research]

Avanços na computação quântica

Pesquisadores da IBM, da Universidade de Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley anunciaram um resultado duplamente importante na rota para tornar os computadores quânticos úteis para resolver problemas práticos.

Os algoritmos desenvolvidos pela equipe e os testes realizados, comparando o computador quântico Eagle, com 127 qubits, com dois supercomputadores tradicionais (Lawrencium, no Laboratório Berkeley, e Anvil, na Universidade Purdue), mostraram avanços nas discussões sobre a famosa supremacia quântica e, mais importante, na correção de erros dos computadores quânticos.

No primeiro aspecto, o trabalho não demonstrou categoricamente a supremacia do computador quântico da IBM no problema utilizado (simulação de materiais), mas deu fortes indícios de que ele pode estar fazendo cálculos corretos que seriam impossíveis de serem realizados pelos supercomputadores tradicionais.

No segundo aspecto, os experimentos demonstraram que uma tecnologia mais fácil de ser desenvolvida, chamada "mitigação de erros", pode ser suficientemente boa para que os computadores quânticos tenham utilidade prática, dando mais tempo aos cientistas para que eles alcancem a tão necessária "correção de erros".

Adicionalmente, o trabalho mostrou resultados diretamente aproveitáveis para melhorar os supercomputadores clássicos atuais.

"Ao entrar nisso, eu tinha certeza de que o método clássico seria melhor do que o quântico. Então, eu tive emoções confusas quando a versão extrapolada de ruído zero da IBM se saiu melhor do que o método clássico. Mas pensar sobre como o sistema quântico está funcionando pode realmente nos ajudar a descobrir a maneira clássica correta de abordar o problema. Enquanto o computador quântico fez algo que o algoritmo clássico padrão não conseguiu, achamos que é uma inspiração para tornar o algoritmo clássico melhor para que o computador clássico tenha no futuro um desempenho tão bom quanto o computador quântico," disse Michael Zaletel, membro da equipe.

Esquema do processador quântico Eagle.
[Imagem: IBM Research]

O problema dos erros dos computadores quânticos

O problema do ruído na computação quântica surge porque os qubits mais usados hoje são circuitos supercondutores muito sensíveis. Quando os qubits são entrelaçados para um cálculo, incômodos inevitáveis, como calor e vibração, podem alterar essa frágil correlação entre eles, introduzindo erros. Quanto maior o nível de entrelaçamento, necessário para cálculos mais complexos, piores são os efeitos do ruído.

Além disso, cálculos que atuam em um conjunto de qubits podem introduzir erros aleatórios em qubits adjacentes não envolvidos naquele cálculo, gerando erros adicionais nos cálculos posteriores que sejam feitos por aqueles qubits.

A tendência hoje para corrigir esses problemas está no uso de qubits extras para monitorar todos esses erros, permitindo que eles sejam corrigidos, o que nos levará à chamada correção de erros tolerante a falhas. Mas alcançar a tolerância a falhas escalável é um enorme desafio de engenharia, e se isso funcionará na prática para um número cada vez maior de qubits é algo que ainda não sabemos.

Mitigação de erros

A novidade agora está na mitigação de erros, uma estratégia chamada "extrapolação de ruído zero", que consiste em usar métodos probabilísticos não para evitar o ruído, mas para conhecê-lo, quantificá-lo e, assim, livrar-se de seus efeitos.

De modo aparentemente paradoxal, o grande avanço está no desenvolvimento de uma técnica para aumentar de forma controlada o ruído no processador quântico, o que gera respostas cada vez mais ruidosas e menos precisas e, em seguida, extrapolar para trás para estimar a resposta que o computador teria obtido se não houvesse ruído.

A equipe começou selecionando um cálculo não porque ele fosse difícil para os computadores clássicos, como normalmente se faz nas demonstrações de supremacia quântica, mas porque ele é semelhante a algo que os físicos fazem o tempo todo e querem aproveitar os computadores quânticos para fazer de modo melhor e mais preciso. O problema envolve a simulação, muito simplificada neste caso, do estado de magnetização dos átomos de um material sólido bidimensional, uma questão que influencia vários desafios tecnológicos bem atuais.

O trabalho então consistiu em rodar, tanto no computador quântico quanto nos clássicos, os algoritmos necessários para fazer a mitigação de erros e comparar os resultados, para ver se a técnica de fato permite eliminar o efeito do ruído nos qubits.

Estão sendo propostas novas arquitetura de computação quântica para diminuir os erros e o número de qubits necessários para cada cálculo.
[Imagem: Riken Center for Quantum Computing]

Usar o quântico para melhorar o clássico

A equipe confirmou a precisão dos resultados do computador quântico para os cálculos menos complexos. Contudo, à medida que eles aumentavam o número de partículas simuladas, os resultados do computador quântico divergiram dos do computador clássico.

Para alguns parâmetros específicos, foi possível simplificar o problema e calcular soluções exatas, com os computadores clássicos atestando os resultados dos cálculos quânticos. Mas ainda não é possível gerar as soluções exatas para as simulações mais complexas, o que poderá ser alcançado melhorando os algoritmos clássicos.

Assim, os pesquisadores alertam que, embora não possam provar que as respostas finais do computador quântico para os cálculos mais difíceis estavam corretas, os sucessos nas rodadas anteriores dão a eles confiança em sua nova técnica de mitigação de erros.

"Agora, estamos nos perguntando se podemos pegar o mesmo conceito de mitigação de erro e aplicá-lo a simulações clássicas de rede tensorial, para ver se podemos obter melhores resultados clássicos," disse Sajant Anand, que liderou as simulações. "Este trabalho nos dá a capacidade de talvez usar um computador quântico como uma ferramenta de verificação para o computador clássico, o que está invertendo o roteiro do que normalmente é feito."

Mais tópicos