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Avanços de simuladores analógicos para computadores quânticos

Ivan H. Deutsch, pioneiro na computação quântica, explica escolha desses simuladores 

Ivan H. Deutsch
Em 1995, Ivan H. Deutsch se juntou à faculdade de física da University of New Mexico, onde ele trabalha em maneiras não-secretas de controlar bits quânticos no Centro para Informação e Controle Quântico. Ele é especializado em projetar métodos para usar campo eletromagnéticos para armazenar informações quânticas nos elétrons e núcleos de átomos ultra-frios capturados em armadilhas magneto-óticas. 
Por Peter Byrne e Quanta Magazine

 

Há mais de 20 anos, Ivan Deutsch luta para projetar o interior de um computador quântico funcional. Ele não está sozinho. O desafio de dominar a capacidade computacional da estranheza quântica continua a ocupar milhares de pesquisadores ao redor do mundo. Por que eles não têm mais resultados para mostrar? Como físicos sabem desde o início da computação quântica, as mesmas características que a tornam exponencialmente poderosa também a tornam incrivelmente difícil de controlar. O “pesadelo” da computação quântica sempre foi que as vantagens de velocidade de um computador quântico seriam eliminadas pela complexidade da máquina.

Mesmo assim, há progresso em duas frentes principais. Pesquisadores estão desenvolvendo técnicas únicas de correção de erros quânticos que ajudarão a manter processadores quânticos funcionando durante o tempo necessário para completar um cálculo. Paralelamente, físicos estão trabalhando com os chamados simuladores quânticos analógicos – máquinas que não podem funcionar como um computador regular mas, ao contrário, são projetadas para explorar problemas específicos da física quântica. Um computador clássico teria que rodar durante milhares de anos para computar as equações quânticas de movimento para apenas 100 átomos. Um simulador quântico poderia fazer isso em menos de um segundo.

A Quanta Magazine falou com Deutsch sobre o recente progresso na área, suas esperanças para o futuro próprio, e seu próprio trabalho para escalonar bits quânticos binários em uma base de 16 dígitos.

 

QUANTA MAGAZINE: Por que uma máquina quântica universal seria tão incomparavelmente poderosa?

IVAN DEUTSCH: Em um computador clássico, a informação é armazenada em bits binários recuperáveis codificados como 0 ou 1. Em um computador quântico, porém, partículas elementares habitam um limbo probabilístico chamado de ‘superposição’, onde um “qubit” pode ser codificado como 0 e 1.

Essa é a mágica: cada qubit pode ser emaranhado com os outros qubits da máquina. O emaranhamento de “estados” quânticos aumenta exponencialmente o número de 0s e 1s que podem ser simultaneamente processados por um arranjo de qubits. Máquinas que conseguirem aproveitar o poder da lógica quântica poderiam lidar com níveis exponencialmente maiores de complexidade que até o mais poderoso computador clássico. Problemas que um computador clássico de última geração levaria a idade do Universo para resolver poderiam, em teoria, ser resolvidos por um computador quântico universal em uma questão de horas.

Qual é o “pesadelo” da computação quântica?

Os mesmos efeitos quânticos que tornam um computador quântico tão incrivelmente rápido, também o tornam incrivelmente difícil de operar. Desde o começo, não estava claro se o aumento exponencial de velocidade de processamento de um computador quântico seria anulado pela complexidade necessária para proteger o sistema de falhas.

A situação está perdida?

De jeito nenhum. Agora nós sabemos que um computador quântico universal não exigirá complexidade exponencial em seu projeto. Mas ainda é muito difícil.

Então qual é o problema, e como superá-lo?

O problema do hardware é que a superposição é tão frágil que a interação aleatória de um único qubit com as moléculas que compõem seus arredores imediatos pode fazer com que toda a rede de qubits emaranhados se desconecte ou colapse. Os cálculos que estiverem em andamento são destruídos conforme cada qubit se transforma em um bit clássico digitalizado que só detém um único valor: 0 ou 1.

Em computadores clássicos, nós reduzimos a inevitável perda de informação ao projetar grande parte da redundância diretamente no sistema. Algoritmos de correção de erros comparam várias cópias do resultado, selecionam a resposta mais frequente e descartam o resto dos dados como ruído. Não podemos fazer isso com um computador quântico, porque tentar comparar qubits diretamente trava o programa. Mas nós estamos aprendendo gradualmente como evitar que sistemas de qubits emaranhados colapsem.

O maior obstáculo, a meu ver, é criar softwares de correção de erros que consigam evitar que dados sejam corrompidos conforme os cálculos se aproximam da leitura final. O grande truque é projetar e implementar um algoritmo que discrimine [e corrija] apenas os erros e não os dados, preservando, assim, a superposição que contém a resposta correta.

Isso elimina o pesadelo?

A própria técnica de correção de erros introduz erros. Um dos mais maravilhosos avanços na computação quântica foi reconhecer que, em teoria, nós podemos corrigir os novos erros sem exigir 100% de precisão, permitindo que ruídos menores de fundo poluam os cálculos que estão sendo executados. Não conseguimos fazer isso na prática – por enquanto. A principal razão de não termos um computador quântico universal funcional é que ainda estamos fazendo experimentos para implantar um algoritmo tão “tolerante a falhas” em um circuito quântico. No momento, conseguimos controlar 10 qubits razoavelmente bem. Mas, até onde eu sei, não existe técnica de correção de erros capaz de controlar os milhares de qubits necessários para construir uma máquina universal.

É nisso que o senhor está trabalhando?

Eu estudo a capacidade de processamento de informação de átomos aprisionados. Eu e meu colega, Poul Jessen da University of Arizona, estamos levando a capacidade lógica para além de qubits baseados em binário. E se, por exemplo, pudéssemos controlar a superposição de um átomo com, digamos, 16 níveis de energia diferentes? Usando uma base 16, podemos armazenar o que chamados de “qudit” em um único átomo. Isso nos levaria além da velocidade de processamento de informações possível de alcançar por um sistema de base 2, o qubit.

Que outras opções nós temos?

Existem muitas aplicações significativas disponíveis para produzir máquinas não-universais: simuladores quânticos analógicos de propósito especial, projetados para resolver problemas específicos: o funcionamento de supercondutores de temperatura ambiente ou como uma proteína específica é dobrada, por exemplo.

Essas máquinas são computadores de verdade?

Elas não são máquinas universais capazes de resolver qualquer tipo de questão. Mas suponha que eu queira modelar a mudança climática global. Uma maneira de fazê-lo é compor um modelo matemático e então resolver as equações em um computador digital. Normalmente, é isso que cientistas climáticos fazem. Eu posso criar um sistema físico simples que obedeça às mesmas leis de movimento que o sistema que estou tentando modelar – misturar nitrogênio, oxigênio e hidrogênio em um tanque, por exemplo. O que acontece dentro do tanque é uma computação realizada no mundo real que me informa algo sobre turbulência atmosférica em certas condições.

O mesmo ocorre com um simulador quântico analógico – eu uso um sistema físico controlável para simular outro. Um exemplo: simular um supercondutor com um dispositivo desses revelaria a mecânica quântica da supercondutividade em alta temperatura. Isso poderia levar à produção de materiais supercondutores resistentes por muitos usos, incluindo a construção de circuitos quânticos menos frágeis. Com sorte, podemos aprender como construir um computador universal digital robusto ao fazer experimentos com simuladores analógicos.

Alguém já construiu um simulador quântico analógico funcional?

Em 2002, um grupo do Instituto Max Planck, na Alemanha, construiu um arranjo ótico – uma caixa de ovos super-resfriados feita de luz – e conseguiu controlá-lo ao lançar raios laser de diferentes intensidades sobre ele. Esse era um dispositivo fundamentalmente analógico projetado para obedecer equações quântico-mecânicas de movimento. A versão curta da história é que o arranjo simulou com sucesso como átomos realizam a transição entre agir como superfluídos ou isolantes. Esse experimento inspirou muitas pesquisas na computação quântica analógica com arranjos óticos e armadilhas atômicas frias.

Quais são os principais desafios desses simuladores quânticos?

Como a evolução da simulação analógica não é digitalizada, o software não pode corrigir os pequenos erros que se acumulam durante o cálculo como poderia corrigir o ruído de uma máquina universal. O dispositivo analógico deve manter uma superposição quântica intacta durante tempo o bastante para que a simulação seja concluída sem usar a correção digital de erros. Esse é um desafio específico da abordagem analógica de simulações quânticas.

A máquina D-Wave é um simulador quântico?

O protótipo D-Wave não é um computador quântico universal. Ele não é digital, não corrige erros e não tem tolerância a falhas. É uma máquina puramente analógica projetada para resolver um problema específico de digitalização. Ainda não está claro se ele pode ser considerado um dispositivo quântico.

O senhor acredita que verá um computador quântico escalonável sendo produzido?

Estamos avançando para além do pesadelo. Ao redor do mundo, muitos laboratórios com sede em universidades estão trabalhando muito para remover ou superar o bloqueio da tolerância a falhas. Pesquisadores acadêmicos estão abrindo caminho do ponto de vista teórico. Os grupos de Rob Schoelkopf e Michel H. Devoret, por exemplo, em Yale, estão levando tecnologias de supercondução perto da tolerância a falhas.

Mas construir um computador quântico universal e funcional provavelmente exigirá a mobilização de recursos em escala industrial. Para esse fim, a IBM está explorando a computação quântica com circuitos supercondutores, principalmente com pesquisadores de grupos de Yale. O Google está trabalhando com o laboratório de John Martini na University of California, Santa Barbara. A HRL Laboratories está trabalhando em computação quântica baseada em silício. A Lockheed Martin está explorando armadilhas iônicas. E quem sabe o que a Agência Nacional de Segurança está fazendo?

Mas geralmente, em laboratórios acadêmicos sem esses recursos de escala industrial, cientistas se concentram em aprender como controlar simuladores quânticos analógicos. Existe um fruto de curto prazo a ser colhido nessa área – tanto intelectualmente quanto na moeda dos acadêmicos – [que são os] artigos publicáveis.

O senhor está disposto a se contentar com analógicos?

Eu prefiro perseguir a abordagem digital com força total. Antes de morrer, eu adoraria ver pelo menos um qubit lógico universal que possa ter seus erros corrigidos indefinidamente. Ele seria instantaneamente escondido pelo governo, é claro. Mas eu continuo sonhando assim mesmo.

 

Republicado com permissão de Quanta Magazina, uma divisão editorialmente independente da SimonsFoundation.org, que tem a missão de aumentar a compreensão pública da ciência ao acomapanhar desenvolvimentos de pesquisa e tendências em matemática e nas ciências físicas e da vida