Supremacia quântica demonstrada em dois processadores quânticos diferentes

Com informações da APS - 27/10/2021

Esquema do computador quântico óptico (processador de luz) usado pela equipe.
[Imagem: Han-Sen Zhong et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.180502]

Primazia quântica

Pesquisadores chineses parecem ter colocado uma palavra final na longa discussão acerca da supremacia quântica - que eles preferem chamar de primazia quântica.

Supremacia ou primazia, a questão envolve demonstrar que um computador quântico é capaz de resolver um problema que é inviável de ser solucionado por um computador eletrônico comum, neste caso conhecido como "computador clássico".

Não contentes com uma demonstração, a equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China fez logo dois experimentos diferentes, e ambos usando problemas gigantescos, para os quais parece ser virtualmente impossível otimizar os algoritmos clássicos a ponto de tornar viável sua solução pelos computadores atuais.

Embora o Google tenha afirmado ter atingido a supremacia quântica em 2019, a comunidade científica não concordou, sugerindo, entre vários outros argumentos, que os testes não foram feitos com os melhores algoritmos ou implementações clássicas possíveis.

Detalhe do processador fotônico, que usou um interferômetro de 144 modos para resolver um problema de amostragem com um fator de aceleração de 10²⁴ no tempo computacional em relação a um computador clássico.
[Imagem: Chao-Yang Lu/University of Science and Technology of China]

Computadores quânticos fotônico e supercondutor

Na prática, a abordagem para demonstrar a primazia quântica é baseada em "problemas de amostragem", problemas computacionais cujas soluções são instâncias aleatórias - ou amostras - de uma dada distribuição de probabilidade. A vantagem quântica é estabelecida se a geração dessas instâncias for inviável para um computador clássico, mas não para o computador quântico.

Além da questão do software, a equipe chinesa demonstrou a supremacia quântica também levando em conta o hardware: Eles usaram duas arquiteturas de computação quântica diferentes, uma fotônica, baseada em qubits de luz, e outra baseada nos mais comuns qubits supercondutores.

Em cada caso, o objetivo era aumentar o número de partículas (como o número de fótons, no circuito fotônico, ou o número de qubits, no circuito supercondutor), bem como a profundidade do circuito (o número máximo de operações sequenciais entre a entrada no computador e sua saída) a tal ponto que a simulação clássica do resultado se tornasse impossível ou inviável (se ela exigir um tempo igual à idade do Universo, por exemplo).

O processador fotônico demonstrou sua supremacia resolvendo um problema conhecido como "amostragem de bósons gaussiana". Pelos cálculos da equipe, a solução quântica é obtida em um tempo computacional 10²⁴ vezes mais rápida do que se pode obter com um computador clássico.

O processador quântico supercondutor, por sua vez, fez seu trabalho usando 56 qubits. Embora pareça ser apenas ligeiramente mais qubits do que os 53 usados pelo Google em 2019, simular classicamente este novo teste de 56 qubits exige ordens de magnitude mais recursos computacionais clássicos do que simular o caso do Google porque os recursos computacionais aumentam exponencialmente a partir de aumentos lineares no número de qubits.

O processador quântico supercondutor, chamado Zuchongzhi, tem na verdade 66 qubits, mas a equipe usou apenas 56 para evitar controvérsias.
[Imagem: Han-Sen Zhong et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.180502]

Amostragem quântica

Ao completar com êxito seus dois experimentos, a equipe adotou abordagens que já respondem aos principais argumentos contra a alegação da primazia quântica, como os que a IBM apresentou para contestar a alegação do Google. Os pesquisadores foram além, apontando o caminho para experimentos de amostragem quântica cada vez maiores que poderão ser feitos no futuro, tornando o debate clássico versus quântico verdadeiramente sem sentido.

Dado que problemas de amostragem tão impressionantes e grandes são resolvidos por máquinas quânticas de uma forma que supera em muito os simuladores clássicos, será que poderíamos usar esses amostradores quânticos para resolver problemas computacionais práticos?

Os pesquisadores afirmam que existem problemas significativos que podem ser abordados usando esses amostradores, em particular no campo da química quântica, mas nenhuma demonstração experimental convincente foi relatada até hoje. Para eles, além de acalmar as discussões sobre a primazia quântica, esses experimentos motivam ainda mais esforços para que os cientistas encontrem usos práticos para a amostragem quântica.

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