Google está a caminho de avanço do computador quântico até o final de 2017

Com informações da New Scientist A Google está liderando o bando quando se trata de computação quântica. A empresa está testando um processador de 20 qubits – seu chip quântico mais poderoso até agora – e está...

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Com informações da New Scientist

A Google está liderando o bando quando se trata de computação quântica. A empresa está testando um processador de 20 qubits – seu chip quântico mais poderoso até agora – e está em busca de ter um chip de 49 qubits de trabalho até o final deste ano.

Os qubits, ou bits quânticos, podem ser uma mistura de 0 e 1 ao mesmo tempo, tornando-os potencialmente mais poderosos do que os bits clássicos.

E se tudo ocorrer como o planejado, o chip de 49 qubits fará da Google a primeira a construir um computador quântico capaz de resolver certos problemas que estão além das habilidades dos computadores comuns. A Google estabeleceu esse objetivo ambicioso, conhecido como “supremacia quântica”, em um artigo publicado em julho passado.

Alan Ho, engenheiro do laboratório quântico de IA (inteligência artificial) da Google, revelou o progresso da empresa em uma conferência de computação quântica em Munique, na Alemanha. Sua equipe atualmente está trabalhando com um sistema de 20 qubit com uma “fidelidade de dois qubit” de 99,5 por cento – uma medida de como o processador é propenso a erros, e uma classificação maior equivale a menos erros.

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Para a supremacia quântica, a Google precisará construir um sistema de 49 qubits com uma fidelidade 2-qubits de pelo menos 99,7 por cento. Ho está confiante de que sua equipe irá entregar este sistema até o final deste ano. Até agora, o melhor esforço público da empresa era um computador de 9 qubits construído em 2015.

O plano de 2015

O campo da computação quântica está sendo submetido atualmente a um agito e os engenheiros da Google, sabendo dessas movimentações de bastidores, estabeleceram silenciosamente um plano para dominar a área.

Desde 2015 a multinacional de tecnologia está construindo um dispositivo que inaugurará uma nova era para a computação. É um computador quântico, o maior já feito, projetado para provar de uma vez por todas que as máquinas que exploram a física quântica podem superar os supercomputadores atuais.

A revolução da computação quântica vem acontecendo há muito tempo. Na década de 1980, os teóricos perceberam que um computador baseado na mecânica quântica tinha o potencial de superar os computadores comuns ou clássicos em determinadas tarefas. Mas construir um era outro assunto. Apenas recentemente um computador quântico que poderá vencer um clássico que passou de uma mera curiosidade de laboratório para algo que realmente poderia acontecer. E tudo indica que a Google quer criar o primeiro.

Os detalhes técnicos do plano da empresa são secretos, e a Google não quis detalhar muito além do que está neste artigo de novembro do ano passado da New Scientist, segundo a revista. Mas os pesquisadores contatados pela reportagem da publicação acreditam que está logo ali na frente um avanço, e para esse palpite eles estão seguindo informações colhidas em apresentações, conferências e reuniões privadas.

“Em algum lugar da Califórnia, a Google está construindo um dispositivo que inaugurará uma nova era para a computação. É um computador quântico, o maior já feito, projetado para provar de uma vez por todas que as máquinas que exploram a física exótica podem superar os maiores supercomputadores superiores do mundo”, escreveu Jacob Aron para o periódico.

Supremacia quântica e superposição quântica

“Eles são definitivamente os líderes mundiais atualmente, não há dúvida sobre isso”, diz Simon Devitt no RIKEN Center for Emergent Matter Science, no Japão. “É se a Google perder? Se a Google não é o grupo capaz de fazer isso, então algo deu errado”, concluiu.

E nós já fomos apresentados a um vislumbre das intenções da empresa. Em abril do ano passado, seus engenheiros silenciosamente publicaram um artigo detalhando seus planos. Seu objetivo, audaciosamente chamado de “supremacia quântica”, é construir o primeiro computador quântico capaz de realizar uma tarefa que nenhum outro computador clássico pode.

“[O artigo] É um plano para o que eles estão intentando fazer nos próximos dois anos”, diz Scott Aaronson, da Universidade do Texas, em Austin, que discutiu os planos da empresa de informática com a equipe de reportagem da New Scientist.

Mas como eles vão fazer isso?

Os computadores que usam a física quântica processam os dados com os chamados “bits quânticos” ou “qubits”. Ao contrário dos bits atuais, essas máquinas podem armazenar, além do 0 ou 1 separados como é hoje, uma mistura de 0 e 1 ao mesmo tempo graças ao princípio da superposição quântica. É esse potencial extra que dá aos computadores quânticos a vantagem em certos problemas, como o trabalho com números gigantescos.

Mas computadores comuns também são bastante bons em tais tarefas. Mostrar que os computadores quânticos são melhores exigiria milhares de qubits, o que está muito além da nossa habilidade técnica atual.

Em vez disso, o Google quer reivindicar o prêmio com apenas 49 qubits. Esse ainda é um objetivo ambicioso – ano passado, eles anunciaram um computador de 9 qubits, mas um computador ao alcance.

É se a Google perder? Se a Google não é o grupo capaz de fazer isso, então algo deu erradoSimon Devitt no RIKEN Center for Emergent Matter Science, no Japão

A memória de Edison é insuficiente

Qualquer pequena variação nos dados de entrada para esses circuitos quânticos pode produzir uma resultado de saída massivamente diferente, por isso é tão difícil para um computador clássico trabalhar com aproximações para simplificar o problema. As aproximações não são próximas. “Eles estão fazendo uma versão quântica do caos”, diz Devitt. “O resultado é essencialmente aleatório, então você precisa calcular tudo”.

Para empurrar a computação clássica até o seu limite, a Google voltou-se para Edison, um dos supercomputadores mais avançados do mundo, alojado no Centro de Computação Científica da National Energy Research dos EUA. a Google o fez simular o comportamento de circuitos quânticos em matrizes cada vez maiores de qubits, até chegar a uma matriz de 6 × 7 de 42 qubits.

Esta computação é difícil porque, à medida que o tamanho da matriz aumenta, a quantidade de memória necessária para armazenar todos os infla rapidamente. Uma matriz de 6 × 4 precisava de apenas 268 megabytes, menos do que encontrado no seu smartphone. A matriz de 6 × 7 exigiu 70 terabytes, aproximadamente 10.000 vezes superior ao de um PC high-end de hoje.

A Google parou por lá com os cálculos porque o próximo tamanho é atualmente impossível: uma matriz de 49 qubits (uma matriz de 7×7 de bits quânticos simulados) requereria 2,252 petabytes de memória, quase o dobro do maior supercomputador do mundo. Assim, se os técnicos da empresa pudessem resolver o problema com um computador quantum de 50 qubit, eles terão superado todos os outros computadores existentes!

O início de uma nova era convencional?
Ao estabelecer este teste objetivo, a Google espera evitar os problemas que afligiram reivindicações anteriores de computadores quânticos superando os computadores ordinários – inclusive algumas feitas pela própria Google.

Ano passado a empresa se viu envolvida em um imbróglio desses. Em 2013, a empresa anunciou que resolveu determinados problemas 100 milhões de vezes mais rápido do que um computador clássico, usando um controverso supercomputador da D-Wave, um dispositivo comercialmente disponível com uma história controversa. Especialistas imediatamente rechaçaram os resultados, alegando que aquela não eram uma boa comparação.

A Google comprou o seu computador D-Wave Two em 2011 da D-Wave, empresa de Burnaby no Canadá e a única a vender um equipamento desses. O objetivo era descobrir se ele poderia ser usado para melhorar os resultados de pesquisa e de inteligência artificial, conforme anunciou a gigante. No ano seguinte, a empresa contratou John Martinis na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, para projetar e construir supercondutores com qubits. “Os computadores da D-Wave, que são baseados em circuitos de supercondutores, exibem comportamento quântico, mas não estava claro na ocasião se seu projeto pode realmente tira proveito da mecânica quântica para calcular mais rápido do que um PC comum”.

D-Wave Two (Créditos: D-Ware)
D-Wave Two (Créditos: D-Ware)

E os planos da Google para conquistar uma supermáquina realmente quântica foram revelados em 2014. “Os qubits deles estão a caminho de serem de qualidades muito melhores”, diz Aaronson.

Martinis e colegas da Google estão agora tentando alcançar a supremacia quântica com 50 qubits, e muitos acreditam que eles chegarão logo a esse objetivo. “Eu acho que isso é realizável dentro de dois ou três anos”, disse Matthias Troyer do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique. “Eles mostraram os passos concretos sobre como eles vão fazer isso”, informou o cientista à publicação.

A equipe de Martinis discutiu e estabeleceu uma série de prazos para alcançar esse marco, disse Devitt. O primeiro foi até o final do ano passado. “Eu vou ficar otimista e dizer talvez no final do próximo ano”, acredita o pesquisador da Macquarie University. “Se o fizermos até nos próximos cinco anos, esse será um tremendo avanço”.

Correção de erros quânticos

O primeiro experimento bem sucedido da supremacia quântica não nos dará computadores capazes de resolver qualquer problema imaginável, já que com base nas teorias atuais, essas precisarão ser máquinas muito maiores. Mas construir um computador quântico menor e funcional pode gerar inovação que irá beneficiar computadores existentes que, assim, poderiam vir a ter maior capacidade de cálculo, dando à computação convencional o início de uma nova era.

Aaronson compara-a com a primeira reação nuclear auto-sustentável, alcançada pelo projeto de Manhattan em Chicago em 1942. “Pode ser uma coisa que vai fazer com que as pessoas digam: ‘se queremos um computador quântico completo, vamos falar de números: quantos Bilhões de dólares?’ “, ele diz.

Resolver os desafios da construção de um dispositivo de 50 qubts irá preparar a Google para construir algo maior. “É um progresso absoluto na construção de uma máquina totalmente escalável”, diz Ian Walmsley, da Universidade de Oxford.

Para que os computadores quânticos sejam verdadeiramente úteis a longo prazo, também precisamos de uma correção robusta de erros quânticos, uma técnica para mitigar a fragilidade dos estados quânticos. Martinis e outros já estão trabalhando nisso, mas demorará mais do que o previsto para alcançar a “supremacia quântica”.

Uma explicação abrangente do porquê se faz necessária tal correção tornaria esse artigo extenso demais. Vamos resumir usando como base um artigo de Jacob Aron de 2016.

Os computadores quânticos armazenam informações com bits quânticos ou qubits, como já dissemos. Ao contrário dos bits binários, que armazenam 0 ou 1, os qubits podem manter uma mistura de ambos os estados ao mesmo tempo (0 e 1), para aumentar seu potencial de computação. Assim, enquanto em um computador convencional usando dois bits pode-se escrever quatro instruções de código possíveis: (00, 01, 10 e 11), já com um computador quântico também se pode escrever e usar as “superposições” das instruções clássicas do código binário, tais como  01 + 10 ou 00 + 11. Isso requer a criação de emaranhamento quântico entre duas partículas. Mas os qubits são frágeis: a natureza quântica deles significa que não podem manter os dados por muito tempo antes que erros apareçam.

Então, se pesquisadores que desejam construir computadores em larga escala inventarem a correção de erros quânticos (QEC) eficiente, isso implicará o grande avanço para a computação quântica.

A técnica QEC codifica um pouco de informação quântica usando muitos qubits físicos. Assim, um código é projetado para fornecer espaço de movimento, permitindo recuperar erros. Um conceito semelhante é usado para lidar com erros em bits binários em discos rígidos e DVDs, mas as coisas são mais difíceis no reino quântico. As regras da mecânica quântica dizem que você não pode ler diretamente o estado de um qubit sem destruí-lo – é como abrir a caixa para dar uma olhada no gato de Schrödinger. Isso significa que precisamos de códigos mais sofisticados do que em leituras de DVD’s para computadores quânticos.

As demonstrações de QEC até agora não foram capazes de prolongar a vida dos dados armazenados em um qubit, uma vez que a complexidade extra de executar as correções introduziu novos erros que eliminaram qualquer benefício. “Há uma espécie de coisa de frango e ovo, para corrigir os erros, você precisa de uma coleção maior de bits quânticos”, diz Rob Schoelkopf, da Universidade de Yale. “Então, infelizmente, há mais coisas que podem dar errado”.

A passos largos

“As coisas realmente mudaram muito mais rápido do que eu esperava”, diz Simon Devitt, da Macquarie University, em Sydney, Austrália, à New Scientist. Agora que o Google e outras empresas envolvidas com a computação quântica dominaram grande parte da ciência fundamental por trás da criação de qubits para supercondutores de alta qualidade, o grande desafio que enfrentam essas empresas está em ampliar esses sistemas e reduzir suas taxas de erro.

“É importante não se deixar levar por números de qubits”, diz Michele Reilly, CEO da Turing Inc., uma start-up quântica. É impossível aproveitar o poder dessas máquinas de forma útil sem uma correção de erros, disse ela – uma técnica que mitiga a natureza inconstante da mecânica quântica.

Ho disse que não será antes 2027 que teremos computadores quânticos corrigidos por erros, então os dispositivos úteis ainda estão longe. Mas se a Google puder ser a primeira a demonstrar a supremacia quântica, mostrando que os qubits realmente podem vencer os computadores comuns, isso será um grande avanço científico.

De olho nos prêmios

Alcançar a supremacia não será algo nenhum pouco dispensável. Ninguém hoje, em sã consciência, pode dizer que a gigante do setor de internet e informática está tentando algo que não resulte em nada futuramente.

“Uma vez que um sistema atinja a supremacia quântica e está mostrando um comportamento claro de escala, demorará um relâmpago no céu para chegar ao setor privado”, diz Devitt. “Estará pronto para sair dos laboratórios”.

“O campo está se movendo muito mais rápido do que o esperado”, diz Troyer. “É hora de mover a computação quântica da ciência para a engenharia e realmente criar dispositivos”.

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Este texto foi elaborado com base em informações de reportagens que podem ser consultadas aqui, aquiaqui, e aqui.

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