A mecânica quântica existe há mais de 120 anos. Do experimento da dupla fenda ao experimento mental do gato de Schrödinger, ela sempre foi considerada uma das leis mais misteriosas e complexas da física.
O físico teórico americano Richard Feynman disse uma vez: “Se você acha que entende de mecânica quântica, você não entende de mecânica quântica.”
Embora a mecânica quântica pareça distante de nós, seu desenvolvimento é rápido: em 2016, a China lançou com sucesso o satélite experimental de ciência quântica “Micius”; em 2022, o Prêmio Nobel de Física foi concedido a três cientistas por suas contribuições à “ciência da informação quântica”.
Recentemente, o Google também fez progressos significativos no campo da mecânica quântica, descrita como uma inovação “marco”.
Hartmut Neven, fundador e chefe da equipe de IA quântica do Google, anunciou em uma postagem de blog o lançamento de seu mais recente chip quântico, o "Willow", alegando que ele abre caminho para computadores quânticos de larga escala.
No artigo, Neven afirmou que este chip “tem o desempenho mais avançado em muitas métricas” e “alcançou duas grandes conquistas”:
- Primeiro, Willow aumentou o número de “qubits” (105) e reduziu “significativamente” os erros;
- Em segundo lugar, a Willow concluiu seu mais recente “teste de benchmark de amostragem de circuito aleatório (RCS)” em menos de 5 minutos.
Para entender essas conquistas inovadoras, precisamos entender como os computadores quânticos e os chips quânticos funcionam.
Um conceito central da mecânica quântica é “superposição”, o que significa que um sistema quântico pode existir em múltiplos estados simultaneamente. Computadores quânticos alavancam essa superposição para criar “bits quânticos (Qubits)”, as unidades fundamentais de computação em computadores quânticos.
Diferentemente de bits binários em computadores clássicos, qubits podem estar em uma “superposição” de 0 e 1 ao mesmo tempo. Esse estado permite que computadores quânticos processem múltiplos caminhos computacionais ou estados simultaneamente, tornando-os mais rápidos e eficientes do que computadores clássicos para resolver certos problemas complexos.
Além disso, há uma relação especial entre qubits chamada “emaranhamento quântico”: quando os qubits estão emaranhados, o estado de um qubit afetará imediatamente o estado do outro, independentemente da distância entre eles.
Assim, ao conhecer o estado de um qubit, podemos inferir os estados de outros qubits, permitindo a transferência de informações. Esse recurso torna os computadores quânticos mais eficazes no compartilhamento e transmissão de informações ao lidar com problemas complexos.
No entanto, o estado dos qubits é muito frágil e facilmente perturbado por ambientes externos (como temperatura, vibração, interferência eletromagnética), levando à perda de informação quântica, um fenômeno conhecido como "decoerência quântica". Devido ao emaranhamento, os erros podem se propagar de um qubit para outros, afetando a capacidade computacional.
Além disso, como os qubits tendem a trocar informações rapidamente com seu ambiente, é desafiador proteger as informações necessárias para concluir as computações. Normalmente, quanto mais qubits um computador quântico usa, mais erros ocorrem, tornando todo o sistema mais propenso a reverter para um “sistema clássico”.
No entanto, de acordo com Hartmut Neven, os pesquisadores do Google introduziram um novo método de “correção quântica de erros” que permite que o chip Willow reduza mais erros à medida que mais qubits são usados, com a taxa de erro diminuindo exponencialmente.
Hartmut Neven menciona que essa conquista histórica no campo é conhecida como “abaixo do limite”, o que significa reduzir erros enquanto aumenta o número de qubits. Hartmut Neven também enfatiza que, desde que Peter Shor introduziu a correção de erros quânticos em 1995, essa tem sido uma tarefa extremamente desafiadora.
Portanto, “abaixo do limite” demonstra “progresso real na correção de erros”, e Willow é o primeiro sistema abaixo do limite, indicando a possibilidade de construir computadores quânticos ultragrandes. O resultado desta pesquisa também foi publicado no periódico “Nature”.
O artigo menciona que Willow concluiu o Teste de amostragem de circuito aleatório (RCS), descrito como “o teste de benchmark clássico mais difícil em computadores quânticos até o momento”, em apenas 5 minutos. Hartmut Neven afirma que os últimos resultados de Willow são “os melhores até agora”.
Em contraste, o supercomputador mais rápido do mundo levaria 10^25 anos para concluir o RCS, um período de tempo que excede a idade do universo (aproximadamente 13.8 bilhões de anos).
Random Circuit Sampling (RCS) é um método usado para avaliar o desempenho de computadores quânticos. A ideia central é usar um computador quântico para executar operações de portas quânticas selecionadas aleatoriamente, gerar estados quânticos aleatórios e, então, amostrar e medir esses estados quânticos.
O RCS foi proposto pela primeira vez pela equipe de Hartmut Neven, que afirma que agora é o “padrão universal no campo. "
Vale ressaltar que em 2019, o Google afirmou que seu processador quântico “Sycamore” poderia completar em três minutos um cálculo que o supercomputador mais rápido do mundo levaria dez mil anos para terminar, enfatizando que sua equipe de pesquisa havia alcançado “supremacia quântica. "
A IBM contestou os resultados dos testes de Sycamore, e o termo “supremacia quântica” também gerou considerável controvérsia, apesar da insistência do Google de que era apenas um “termo artístico”. Posteriormente, o Google tentou evitar usar esse termo, afirmando em vez disso que eles alcançaram “além da computação clássica”.
Além disso, a IBM e a Honeywell geralmente usam o termo “volume quântico” para descrever e quantificar seus dispositivos de computação quântica em suas pesquisas de mecânica quântica, um conceito que o Google não usa de forma alguma. A falta de um padrão unificado dificulta a comparação de produtos concorrentes.
Hartmut Neven menciona que a tecnologia quântica tem aplicações na coleta de dados de treinamento de IA, no desenvolvimento de novos veículos de energia e na descoberta de novos medicamentos.
Hartmut Neven também está ansioso pelo próximo objetivo da pesquisa de mecânica quântica do Google: concluir uma computação que seja "relevante para programas práticos" e "impossível para computadores clássicos", tornando-a verdadeiramente "útil" e "além do clássico".
Retirado de se um
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