Marco do Chip Quântico Desperta Empolgação para o Futuro da Computação

Um Novo Marco da Computação Quântica

A computação quântica é, junto com a IA, um novo horizonte para a indústria de tecnologia. Isso ocorre porque, ao contrário de outras tecnologias de computação não-silício, como grafeno, fotônica ou até organoides biológicos, a computação quântica realiza cálculos de forma radicalmente nova.

Ela faz isso aproveitando efeitos quânticos, com o cálculo não sendo feito com 0 & 1 (bits binários), mas com qubits, onde os dados da partícula são simultaneamente 0 E 1, ou 1, ou 0. Esses diferentes métodos significam que, para alguns problemas matemáticos, os computadores quânticos podem ser absurdamente mais eficientes que os computadores normais.

E isso é exatamente o que o Google acabou de demonstrar: ele revelou um novo chip que leva cinco minutos para resolver um problema que atualmente levaria os supercomputadores mais rápidos do mundo dez septilhões – ou 10.000.000.000.000.000.000.000.000 anos – para ser concluído.

Além desse desempenho notável, este pode ser também o primeiro chip de computador quântico que tem uma chance razoável de ser escalável e confiável para cálculos úteis. Os resultados foram publicados na principal revista científica Nature, sob o título “Correção de erro quântico abaixo do limiar do código de superfície”.

Conheça Willow

O chip de computação quântica do Google em questão chama‑se Willow.

Source: Google

Esta é a última versão de uma série de chips quânticos cada vez mais poderosos desenvolvidos pelo Google, chamados Foxtail, Bristlecone e Sycamore.

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Para testar o desempenho do Willow, o benchmark random circuit sampling (RCS) foi usado para compará‑lo a um supercomputador normal. Essa técnica foi criada para medir o desempenho do Sycamore, avaliando a quantidade de qubits necessária para corresponder a um equivalente usando um computador clássico.

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Escalabilidade Finalmente ao Alcance

Uma limitação importante da computação quântica até agora é que os qubits são extremamente frágeis. Isso ocorre porque os estados quânticos tendem a ser muito efêmeros, com interferências do ambiente desestabilizando as condições necessárias para o cálculo quântico.

É por isso que todos os computadores quânticos atuais utilizam condições ultra‑frias e requerem materiais supercondutores. Isso torna o processo não apenas mais complexo e caro, mas também muito difícil de usar de forma confiável.

“Para que um computador quântico execute cálculos úteis, “você precisa de informação quântica e precisa protegê‑la do ambiente — e de nós mesmos, à medida que fazemos manipulações nela”.

Julian Kelly – Físico do Google que lidera a divisão de hardware quântico

Para agravar o problema, até agora, quanto mais qubits há em um sistema, maior é o erro, com qualquer instabilidade causando um efeito dominó. Assim, mais qubits geram mais erro, até o ponto em que adicionar mais poder de computação realmente diminui o desempenho geral.

E talvez, mais do que sua capacidade de cálculo, seja aqui que o Willow representa um verdadeiro avanço.

Você também pode ver diretamente mais detalhes sobre o desempenho exato do Willow na apresentação em vídeo dedicada do Google:

Correção de Erro

O passo fundamental para o Google tem sido trabalhar na chamada correção de erro. A ideia é que, em um determinado computador quântico, alguns qubits serão mais confiáveis que outros.

Portanto, os qubits fora do padrão ou com desempenho inferior podem ser reconfigurados para que funcionem como o restante do chip.

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Melhorias adicionais podem ser alcançadas aprimorando o método de calibração, de modo que os erros sejam minimizados por meio de aprimoramentos de software em todos os qubits.

Limiar de Correção de Erro Quântico

Esse limiar é um objetivo muito buscado por cientistas da computação quântica. É quando a taxa de erro é baixa o suficiente para que, ao acrescentar mais qubits, o menor erro seja obtido. Isso foi teorizado há muito tempo, mas só foi alcançado pela primeira vez com o Willow.

Testamos matrizes cada vez maiores de qubits físicos, passando de uma grade de 3 × 3 qubits codificados, para uma grade de 5 × 5, e depois para uma grade de 7 × 7 — e a cada vez, usando nossos avanços mais recentes em correção de erro quântico, conseguimos reduzir a taxa de erro à metade.

Departamento de Computação Quântica do Google

Source: Google

Essencialmente, em vez de se acumularem até colapsar, os erros agora são raros o suficiente para serem corrigidos com poder computacional adicional, aumentando a confiabilidade de todo o sistema.

Um fator chave para o Google alcançar esse avanço foi a melhoria radical em um desempenho específico de qubit chamado “tempo de coerência do qubit”. Esse é o tempo em que o qubit pode manter seu estado de coerência, condição pré‑requisito para executar cálculos quânticos.

O Willow atingiu um estado de coerência de 100 microssegundos, acima dos apenas 20 microssegundos do Sycamore de 2019.

Esse é um ponto de dados importante, pois a melhoria no estado de coerência, levando diretamente a computadores quânticos exponencialmente mais confiáveis, pode ser vista como a versão quântica atual da Lei de Moore, que impulsionou a melhoria constante dos computadores “normais”.

Como o primeiro sistema abaixo desse limiar, este é o protótipo mais convincente de um qubit lógico escalável construído até hoje. É um forte sinal de que computadores quânticos úteis e muito grandes podem realmente ser construídos. O Willow nos aproxima de rodar algoritmos práticos e comercialmente relevantes que não podem ser replicados em computadores convencionais.

Departamento de Computação Quântica do Google

Tudo isso foi possível graças ao investimento de longo prazo do Google em sua instalação de fabricação de chips quânticos supercondutores.

Do Qubit Físico ao Qubit Lógico

Para qualquer cálculo útil, a computação quântica precisa usar qubits lógicos, ou a unidade de cálculo real produzida pelo chip físico.

Com a taxa de erro do Willow, cada qubit lógico deve ser composto por cerca de 1.000 qubits físicos. Melhorias adicionais na correção de erro podem reduzir esse número para 200 qubits físicos.

Atualmente, o Willow tem capacidade para 105 qubits.

Próximos Passos

Com esse avanço, a perspectiva de construir um qubit lógico estável, confiável e escalável está agora ao alcance. Especialmente porque adicionar qubits físicos agora reduz a taxa de erro exponencialmente, em vez de aumentá‑la exponencialmente.

É provável que o próximo passo seja construir o sucessor do Willow com ainda mais qubits, ao mesmo tempo em que se aprimora a tecnologia de correção de erro. Juntos, isso poderia permitir que cada um dos próximos designs de chips quânticos do Google fosse suficiente para criar um qubit lógico completo.

Isso ainda deixará outro desafio, que é interconectar os qubits lógicos para que possam compartilhar e trocar estados quânticos.

Só então poderemos falar de um verdadeiro computador quântico que possa ser usado rotineiramente e, mais importante, escalado à vontade.

Discutimos anteriormente algumas das tecnologias e avanços paralelos que poderiam impulsionar o desempenho e a arquitetura da computação quântica além da melhoria dos qubits, por exemplo:

• Resonadores nanomecânicos, para medir melhor o estado quântico sem desestabilizar os qubits.
• Resonador SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive Element), para ir além da superposição dos estados 0 & 1 dos qubits e desenvolver computação quântica de Variáveis Contínuas (CV).
• Materiais supercondutores melhores, para melhorar a estabilidade dos sistemas de computação quântica.

No geral, o avanço do Google é realmente revolucionário e representa uma evolução radical das perspectivas da computação quântica, com o primeiro alvo realista para um computador comercial escalável.

Entretanto, o líder do laboratório Quantum AI do Google, Hartmut Neven, nos lembra que isso não acontecerá amanhã:

“Um chip capaz de executar aplicações comerciais não aparecerá antes do final da década. Inicialmente, essas aplicações seriam a simulação de sistemas onde os efeitos quânticos são importantes.

Por exemplo, isso é relevante ao projetar reatores de fusão nuclear, entender o funcionamento de medicamentos e o desenvolvimento farmacêutico, seria relevante para desenvolver baterias automotivas melhores e uma longa lista de tarefas semelhantes.”

Aplicações

O potencial da computação quântica é massivo e pode revolucionar praticamente todos os campos científicos. Algumas aplicações se destacam por seu impacto especial:

• Modelagem bioquímica: desde determinar a forma 3D de uma proteína até a expressão gênica, o cálculo de moléculas biológicas complexas até os átomos pode revolucionar a pesquisa biotecnológica.
• Modelagem climática: Modelos climáticos são extraordinariamente complexos e ultrapassam os limites dos supercomputadores atuais. Uma compreensão melhor do clima, com uma escala de cálculo mais fina tanto geograficamente quanto temporalmente, poderia ajudar a entender os riscos das mudanças climáticas.
• Semicondutores: Computadores quânticos poderiam ser usados para tornar os chips de computador normais muito mais poderosos. Com os chips “normais” já alcançando a escala nanométrica, os fenômenos quânticos tornam‑se cada vez mais problemáticos, e os computadores quânticos podem ser necessários para resolvê‑los.
• Ciência dos materiais: Entender melhor a física quântica e a reação dos materiais até os átomos individuais pode abrir novos projetos para materiais usados em aeroespacial, baterias, impressão 3D, manufatura, etc.
• Criptografia: Computadores quânticos podem potencialmente tornar todos os métodos de criptografia atuais obsoletos. Isso é uma preocupação séria para sistemas militares, financeiros e de TI. Mas, ao mesmo tempo, pode tornar a criptografia ainda mais segura.

Riscos

Porque a computação quântica é tão poderosa, também há risco severo de seu uso indevido. O maior deles está relacionado à criptografia.

Desde o anúncio do Google sobre o Willow, vários comentaristas discutiram como a possibilidade de quebrar toda a criptografia existente seria devastadora para criptomoedas como o Bitcoin.

E, em teoria, isso é verdade. Mas é um comentário bastante míope, mais impulsionado por uma reação ao recente rali de alta do Bitcoin do que por uma visão ampla. Quebrar a criptografia de computadores e sistemas digitais também quebraria a segurança e a confiabilidade de todo o sistema bancário e financeiro, não apenas das moedas cripto.

Isso também seria devastador para a estabilidade geopolítica global e a segurança militar, já que tudo, desde comunicações até códigos de lançamento nuclear, depende de criptografia segura. Uma criptografia totalmente quebrada poderia permitir que potências estrangeiras ou agentes mal‑intencionados lançassem todo esse aparato de segurança ao caos completo.

Isso não significa que não existam soluções. Por exemplo, a Apple (AAPL ) anunciou em fevereiro de 2024 que a criptografia que protege as conversas do iMessage está sendo tornada “à prova de quantum” para impedir que sejam lidas por futuros computadores quânticos poderosos. Podemos supor que, se a Apple adotar criptografia à prova de quantum, as maiores forças militares e instituições financeiras também poderão fazê‑lo.

Combinado a um cronograma de vários anos para que até mesmo um líder como o Google tenha um computador quântico comercial, estamos longe de um risco catastrófico e iminente.

Empresa de Computação Quântica

Como você viu, o Google está muito ativo na computação quântica, principalmente por meio de seu laboratório Google Quantum AI e do campus Quantum AI em Santa Barbara.

O computador quântico do Google fez história em 2019 quando o Google afirmou ter alcançado a “supremacia quântica” com sua máquina Sycamore, realizando um cálculo em 200 segundos que levaria um supercomputador convencional 10.000 anos.

Isso, claro, agora é ofuscado pelo desempenho do Willow.

Mas talvez a maior contribuição do Google esteja no software, uma atividade onde ele tem um histórico impressionante, na verdade melhor que em hardware (pesquisa, G Suite, Android, etc.).

Já o Quantum AI do Google disponibiliza um conjunto de softwares projetados para auxiliar cientistas no desenvolvimento de algoritmos quânticos.

Ele também defende abertamente “pesquisadores, engenheiros e desenvolvedores se juntarem a nós nesta jornada verificando nosso software de código aberto e recursos educacionais, incluindo nosso novo curso no Coursera, onde desenvolvedores podem aprender o essencial da correção de erro quântico e nos ajudar a criar algoritmos que resolvam os problemas do futuro.”

Graças a essa abordagem aberta e agora liderando também em hardware, além de suas soluções em nuvem, o Google provavelmente será uma das empresas que definirão os padrões de software de computação quântica & programação quântica, ocupando um lugar privilegiado para direcionar onde o campo evoluirá no futuro.

E, enquanto isso, soluções de IA, incluindo o carro autônomo da Waymo, podem se tornar o novo motor de receita para a Alphabet (GOOG ), que ainda detém uma posição massivamente dominante nas indústrias de busca & publicidade.