O que é um computador quântico e em que consiste? Nem todos os computadores têm direito a esse nome. Por que isso acontece e por que tais instalações são necessárias, explica Christopher Monroe, professor da Universidade de Maryland e um dos principais jogadores da "corrida quântica" global.
O Russian Quantum Center realiza regularmente grandes conferências internacionais em Moscou, dedicadas ao desenvolvimento de tecnologias quânticas e sua aplicação prática. Não apenas pesquisadores importantes participam de seu trabalho, mas também representantes de grandes empresas e autoridades governamentais russas e estrangeiras.
Este ano, a conferência contou com a presença dos líderes de três equipes científicas que lideram a criação de sistemas complexos de computação quântica. Além de Mikhail Lukin, professor da Universidade de Harvard (EUA), que primeiro anunciou a criação de um computador recorde de 51 qubit na conferência anterior, os professores Christopher Monroe e Harmut Neven participaram.
Monroe, que hoje trabalha na Universidade de Maryland (EUA), criou uma máquina semelhante em poder quase simultaneamente à sua contraparte russo-americana, usando princípios semelhantes, mas ligeiramente diferentes.
Ele falou sobre a direção em que esse sistema está se desenvolvendo, como ele difere dos "concorrentes" e onde fica a fronteira entre os computadores quânticos reais, que correspondem totalmente a este termo, e os sistemas de computação que são construídos com base em princípios clássicos.
Superioridade quântica
Os computadores quânticos são dispositivos de computação especiais cujo poder cresce exponencialmente devido ao uso das leis da mecânica quântica em seu trabalho. Todos esses dispositivos consistem em qubits - células de memória e, ao mesmo tempo, módulos de computação primitivos capazes de armazenar uma faixa de valores entre zero e um.
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Hoje, existem duas abordagens principais para o desenvolvimento de tais dispositivos - clássico e adiabático. Os defensores do primeiro deles estão tentando criar um computador quântico universal, no qual os qubits obedeceriam às regras pelas quais os dispositivos digitais comuns funcionam. Trabalhar com tal dispositivo de computação, idealmente, não seria muito diferente de como engenheiros e programadores operam computadores convencionais.
Um computador adiabático é mais fácil de criar, mas está mais próximo em seus princípios de operação das máquinas de somar, régua de cálculo e computadores analógicos do início do século 20, e não dos dispositivos digitais de nosso tempo. Existem também abordagens híbridas que combinam os recursos de ambas as máquinas. Entre eles, segundo Monroe, pode ser atribuído ao computador de Mikhail Lukin.
Segundo Monroe, isso se deve ao fato de que as células de memória de sua máquina são construídas a partir de íons do metal de terras raras itérbio, cujo estado não muda quando manipulado por feixes de laser. O computador quântico de Lukin, por sua vez, é construído com base nos chamados átomos de Rydberg, que não são protegidos de tais influências.
Eles são átomos de rubídio-87 ou outros metais alcalinos, cujo elétron livre foi "empurrado" para uma grande distância do núcleo usando laser especial ou pulsos de ondas de rádio. Por isso, o tamanho do átomo aumenta cerca de um milhão de vezes, o que o transforma em qubit, mas, como explicou Monroe, não permite que se mova sem deformar essa estrutura e sem destruir os estados quânticos.
A ausência de tais problemas em íons, segundo o físico americano, permitiu que sua equipe criasse não um híbrido, mas um computador quântico totalmente controlado, cujos qubits os cientistas podem manipular diretamente no curso da computação.
Por exemplo, três anos atrás, muito antes da criação de máquinas maiores, Monroe e sua equipe anunciaram que haviam conseguido criar o primeiro computador quântico reprogramável, que consistia em cinco células de memória. Essa máquina modesta, graças à sua alta flexibilidade, permitiu aos físicos executar vários programas quânticos nela ao mesmo tempo.
Em particular, eles conseguiram executar os algoritmos Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani neste minicomputador, bem como criar uma versão quântica das transformadas de Fourier, a pedra angular da criptografia e sua quebra.
Esses sucessos, bem como as dificuldades em manter um grande número de íons em armadilhas, observa Monroe, o levaram a pensar que os sistemas de computação quântica deveriam ser construídos de forma modular, em vez de monolítica. Em outras palavras, os computadores quânticos "sérios" não representarão um único todo, mas um tipo de rede, consistindo de muitos módulos semelhantes e bastante simples.
Vácuo imperfeito
Tais sistemas, como observou o professor americano, já existem, mas ainda não são usados em protótipos de computadores quânticos por uma razão simples - eles funcionam cerca de cem vezes mais devagar do que os próprios qubits. No entanto, ele acredita que esse problema é totalmente solucionável, pois é de natureza mais de engenharia do que de natureza científica.
Outro problema potencial que irá interferir na operação de computadores monolíticos ou apenas grandes computadores quânticos é que o vácuo, como disse Monroe, não é perfeito. Ele sempre contém um pequeno número de moléculas, cada uma das quais pode colidir com qubits atômicos e interferir em seu trabalho.
A única maneira de superar isso é resfriar ainda mais o computador quântico, o mais próximo possível do zero absoluto. A equipe de Monroe ainda não está engajada nisso, já que o número de qubits em sua máquina é pequeno, mas no futuro esse problema definitivamente terá que ser resolvido.
A abordagem modular, sugerida pelo professor americano, será outra forma de resolver este problema, pois permitirá quebrar o computador em muitas partes independentes contendo números relativamente pequenos de qubits. Em teoria, ele não funcionará tão rápido quanto uma máquina monolítica, mas contornará o problema do "vácuo imperfeito", já que os módulos serão mais fáceis de resfriar e controlar.
Quando chegará esse momento? Como sugere Monroe, nos próximos três a cinco anos, serão criadas máquinas que incluem várias centenas de qubits. Eles serão capazes de realizar várias dezenas de milhares de operações e não exigirão resfriamento extremo ou sistemas de correção de erros para operar.
Essas máquinas serão capazes de resolver muitos problemas práticos complexos, mas não serão computadores completos no sentido clássico da palavra. Para fazer isso, você precisará aumentar o número de qubits e “ensiná-los” a corrigir erros de forma independente em seu trabalho. Isso, segundo o físico, levará mais cinco anos.
Reta final da corrida
Os primeiros computadores quânticos complexos, segundo Monroe, serão construídos com base em tecnologias iônicas ou atômicas, uma vez que todas as outras variantes dos qubits, incluindo células de memória semicondutoras promissoras, ainda não atingiram um nível de desenvolvimento semelhante.
“Até agora, todos esses são experimentos de laboratório universitário. Esses qubits não podem ser usados para criar portas lógicas completas. Portanto, concordo com Mikhail que nossos colegas da Austrália, Intel e outras equipes terão que resolver muitos problemas práticos antes de poderem criar um sistema de computação completo”, observa o físico.
Como determinar o vencedor nesta "corrida quântica"? Dois anos atrás, Monroe e seus colegas tentaram responder a essa pergunta organizando o primeiro teste comparativo de computadores quânticos. Eles escolheram um computador quântico IBM baseado em qubits supercondutores como competidor para a primeira versão de sua máquina.
Para compará-los, físicos e programadores da Universidade de Maryland prepararam o primeiro conjunto de "benchmarks quânticos" - algoritmos simples que medem a precisão e a velocidade desses computadores. O teste não revelou um vencedor direto - o computador de Monroe e sua equipe venceram exatamente, mas perderam em velocidade para a máquina IBM.
Ao mesmo tempo, Monroe acredita que a chamada superioridade quântica - a criação de um computador quântico, cujo comportamento não pode ser calculado por outros métodos - não será uma conquista científica ou prática séria.
“O problema está no próprio conceito. Por um lado, nossos experimentos com cinco dúzias de qubits, como os experimentos de Mikhail, ajudaram a calcular aquelas coisas que não podem ser calculadas de outra forma. Por outro lado, isso não pode ser chamado de superioridade, uma vez que não podemos provar que realmente não pode ser calculado de outras maneiras. A superioridade quântica aparecerá mais cedo ou mais tarde, mas pessoalmente não vou persegui-la”, enfatizou o cientista.
Outra dificuldade reside no fato de que ainda não podemos dizer com certeza quais problemas os computadores quânticos podem resolver e onde sua aplicação será mais justificada e útil. Para isso, é necessário que tanto o meio científico quanto toda a sociedade passem a perceber essas máquinas como uma ferramenta acessível e universal.
Mistérios quânticos do universo
Por esse motivo, o professor americano não acredita que sistemas de computação adiabáticos como os dispositivos D-Wave possam ser chamados de computadores quânticos. O trabalho deles, segundo o físico, é baseado em princípios físicos completamente clássicos que nada têm a ver com a mecânica quântica real.
“Apesar disso, computadores analógicos como esses são extremamente interessantes do ponto de vista prático. Você pode simplesmente pegar alguns ímãs, prendê-los a uma malha triangular e rastrear seu comportamento. Esses experimentos não terão nada a ver com a física quântica, mas permitirão alguns cálculos complexos de otimização. Os investidores têm interesse neles, o que significa que isso não é feito em vão”, continua o professor.
Que tarefas um computador quântico "real" pode resolver? Como Monroe observou, nos últimos anos, muitas outras equipes de físicos entraram em contato com sua equipe. Eles planejam usar sua máquina para resolver muitos problemas científicos importantes que não podem ser calculados em um computador convencional.
Até agora, os mesmos experimentos, como o físico admitiu, podem ser realizados em supercomputadores comuns. Por outro lado, nos próximos anos, o número de qubits nas máquinas quânticas aumentará significativamente, o que tornará seu trabalho incontável.
Isso vai ampliar sua aplicabilidade e fazer desses experimentos uma das formas mais interessantes e únicas de estudar os maiores e mais misteriosos objetos do Universo, além de resolver muitas tarefas cotidianas, como encontrar rotas ou administrar a economia, conclui a pesquisadora.
