Processador quântico é simulado em programa clássico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/09/2019

O simulador quântico usa circuitos implementados em eletrônica clássica para imitar os qubits, que podem ter dois valores ao mesmo tempo.
[Imagem: Karl Öfverström]

Simulador quântico

Pesquisadores suecos construíram um simulador computacional - um sistema que roda em circuitos eletrônicos comuns - capaz de simular o funcionamento de um processador quântico.

Isso é importante porque, embora se espere que a computação quântica vá revolucionar a pesquisa em áreas como biologia, química e física, cujos sistemas são complicados demais para serem simulados mesmo nos supercomputadores mais poderosos, o fato é que não se sabe ainda muito bem como programar os computadores quânticos - apenas uns poucos algoritmos quânticos foram desenvolvidos até o momento.

Um simulador permite trabalhar no desenvolvimento desses algoritmos sem precisar esperar pela construção dos computadores quânticos de verdade.

Mais do que isso, esse desenvolvimento promete ajudar na própria construção dos computadores quânticos, porque estão sendo pesquisadas várias abordagens - vários tipos de qubits, por exemplo - e não há como saber qual é o mais eficiente deles sem ferramentas de testes e avaliações comparativas (benchmarking) - essencialmente algoritmos implementados em programas que possam rodar em várias máquinas diferentes.

Observe que este tipo de simulador quântico, conhecido como "modelo de brinquedo de Spekkens", usa circuitos de hardware clássico, o que é diferente dos hardwares de simulação quântica, que são máquinas quânticas de pleno direito que simulam processos regidos pelas leis da mecânica quântica - a fotossíntese, as reações químicas etc.

Simulador não é a coisa real

Mas, se dá para simular um computador quântico com a eletrônica clássica, então por que ter o trabalho de construir essas máquinas futurísticas? A resposta é que um simulador não é uma máquina real, e não apresenta sua velocidade e nem sua capacidade de funcionamento massivamente paralelo.

Na verdade, o simulador quântico desenvolvido agora, batizado de QSL (Quantum Simulation Logic, ou Lógica de Simulação Quântica), funciona de forma parecida com um processador quântico operando em câmera lenta, o que é ainda mais útil para o trabalho de desenvolvimento a que ele se destina.

Além disso, a ferramenta de simulação contém uma, e apenas uma, propriedade que um processador quântico possui que um computador clássico não possui: um grau extra de liberdade para cada bit que faz parte do cálculo. Em outras palavras, o simulador simula bits que podem ter dois valores, como 0 e 1, e não apenas 0 ou 1.

Ele não consegue imitar a instantaneidade das operações feitas por qubits entrelaçados e nem os qudits, bits quânticos com 'n' valores - quando se sabe que basta um qutrit para tornar um processador quântico exponencialmente mais rápido.

Foto do modelo completo, uma implementação do modelo de brinquedo de Spekkens (Robert Spekkens, Instituto Perímetro de Física Teórica, Canadá).
[Imagem: 10.3390/e21080800]

Supremacia quântica

É apenas uma simulação, mas que já foi suficiente para demonstrar a tão discutida "supremacia quântica", quando processadores quânticos realmente se tornam mais rápidos do que os computadores clássicos.

"O resultado mostra que a velocidade mais alta nos computadores quânticos vem da capacidade de armazenar, processar e recuperar informações em um grau de liberdade adicional de informação. Isso nos permite entender melhor como os computadores quânticos funcionam. Além disso, esse conhecimento deverá tornar mais fácil a construção de computadores quânticos, uma vez que sabemos qual propriedade é mais importante para o computador quântico funcionar conforme o esperado," disse o professor Jan-Ake Larsson, da Universidade de Linkoping.

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