Supremacia Quântica Usando um Processador Supercondutor Programável, pela Google.

Escrito por: John Martinis, Cientista-chefe do grupo de pesquisa de Hardware Quânticos e Sergio Boixo, Cientista-chefe do grupo de pesquisa em Teoria da Computação Quântica, Google AI Quantum.

Link do texto original: https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

Introdução

Físicos, há vários anos, discutem sobre a Física Quântica [1] e o seu poder, porém as perguntas sempre são:

  1. Será que conseguiremos produzir alguma coisa útil com esses estudos?
  2. Valerá a pena investir tempo e recursos financeiros nessa tecnologia?

Em se tratando de um empreendimento de larga-escala como esse, uma boa prática de engenharia é categorizar objetivos de curto prazo para elucidar se os projetos estão indo na direção esperada. Portanto, um grupo de cientistas que trabalham em parceria com a Google desenvolveram um experimento que representou o “marco-zero” para ajudar a responder essas e outras perguntas, baseado nesse modelo de entregas de curto prazo. Esse experimento, que recebeu o nome de Supremacia Quântica [2, 3], forneceu instruções para que toda a equipe envolvida fosse capaz de desenvolver, apesar dos muitos desafios técnicos inerentes ao projeto e a própria engenharia de sistemas envolvida, um computador quântico tão programável, quanto poderoso. Para testar o desempenho pleno de todo o sistema, foi selecionado um teste de referência de eficiência computacional para que, com apenas um registro de falha de um único componente de hardware, já considere o computador como ineficiente para realizar tal tarefa.

Os resultados coletados neste experimento, que busca a Supremacia Quântica, foram publicados em formato de artigo científico na Nature [2]. Foi desenvolvido um novo processador de 54 q-bit, chamado “Sycamore”, composto de portas lógicas quânticas [3] rápidas e de alta confiabilidade, para realizar o teste de eficiência proposto. A máquina projetada desempenhou, em 200 segundos, os cálculos necessários para que o objetivo fosse atingido. Comparado com um supercomputador clássico, os mesmos resultados levariam 10.000 anos para produzirem a mesma saída encontrada.

O Experimento

Para se ter uma ideia de como o teste da Supremacia funciona, vamos imaginar programadores novatos e entusiastas da computação quântica visitando o laboratório de Inteligência Artificial da Google, para executar um algoritmo quântico no novo processador proposto. Eles podem escrever algoritmos a partir de um pequeno dicionário de pequenas operações elementares de portas quânticas. Como cada porta tem uma probabilidade de erro, nossos convidados limitaram o poder de processamento em torno de 1.000 portas quânticas, no total. Supondo que esses programadores não tenham experiência anterior com tal tarefa, eles podem criar o que parece, em essência, em uma sequência de portas, nas quais alguém poderia escrever um algoritmo para o computador quântico, uma saída bem simples, porém bastante conhecida: “Olá Mundo!”. Como não existem estruturas em circuitos aleatórios que os algoritmos clássicos possam explorar tal tarefa, a simulação desses circuitos quânticos geralmente requer uma quantidade de esforço fora do comum para um supercomputador clássico, por isso existe a limitação. Superar essa limitação de um supercomputador clássico significa atingir a Supremacia Quântica.

Cada execução desse circuito quântico aleatório em um computador quântico produz uma string de bits, por exemplo 0000101. Devido à interferência quântica [4], algumas dessas string de bits têm muito mais probabilidade de ocorrer do que outras, portanto o experimento é repetido várias vezes. No entanto, encontrar as sequências de bits mais prováveis para um circuito quântico aleatório, em um supercomputador clássico, torna-se exponencialmente mais difícil à medida que no número de q-bits (largura da estrutura) é o número de ciclos de portas quânticas (profundidade da estrutura) aumentam.

No experimento, primeiro foram testados circuitos aleatórios simples, de 12 a 53 q-bits, mantendo o ciclo de portas constante. Foi verificado que o desempenho do computador quântico usando simulações clássicas e comparamos com um modelo teórico. Depois, de verificado que o sistema estava em pleno funcionamento, foi executado circuitos aleatórios com 53 q-bits e ciclo de portas crescente, até chegar em um ponto em que a simulação clássica tornou-se inviável.

Através desse resultado obtido, foi possível ir de encontro ao primeiro desafio experimental da tese estendida de Church-Turing [5], onde a mesma afirma que os computadores clássicos podem implementar qualquer modelo “razoável” de computação. Como esse é o primeiro experimento de computação quântica que não pode ser razoavelmente imitado, mesmo em um supercomputador clássico, foi aberto um novo domínio da computação a ser explorado. 

O processador Sycamore

O experimento da Supremacia Quântica foi executado em um processador de 54 q-bits totalmente programável, chamado Sycamore. O mesmo é composto de uma rede bidimensional, onde cada q-bit é conectado a outros 4 q-bits. Em consequência desse esquema, o chip possui conectividade suficiente para que os estados do q-bit possam interagir de maneira rápida em todo o processador, tornando assim impossível o estado geral de simular, de maneira eficaz e eficiente, em um supercomputador clássico.

Além disso, o sucesso de todo o experimento deveu-se ao paralelismo avançado entre portas logicas quânticas com 2 q-bits [3] terem alcançado um desempenho de confiabilidade recorde, mesmo que no momento estivessem sendo operadas de maneira simultânea. Esse desempenho também pode ser alcançado graças à implementação de um “botão” de controle, que era capaz de ativar/desativar as interações entre os q-bits vizinhos. Isso reduziu muito os erros de performance, otimizando assim o design do chip para reduzir a taxa de transmissão da informação, bem como desenvolvendo novos ajustes que evitaram defeitos dos q-bits.

O circuito foi projetado no formato de uma rede quadrada bidimensional, com cada q-bit conectado a outros 4 q-bits. Essa arquitetura também é compatível com a implementação para correção dos erros [6] que ocorrem na interação dos q-bits. É previsto, então, que o Sycamore seja considerado o primeiro processador de 54 q-bits de uma série de processadores quânticos ainda mais poderosos, que estão para surgir no futuro.

Testando a Física Quântica

Para garantir a utilidade dos próximos computadores quânticos a surgir, precisamos também verificar se não existem obstáculos fundamentais provenientes da mecânica quântica. A física tem uma longa história de testar os limites da teoria por meio de experimentos, pois novos fenômenos surgem geralmente quando se começa a explorar novos regimes caracterizados por parâmetros físicos muito diferentes. Experimentos anteriores [7] evidenciaram que a mecânica quântica funciona conforme o esperado até um espaço de estados de dimensão 1.000 [8]. O teste foi expandido para um tamanho de 10 quadrilhões e foi descoberto que tudo funcionou como esperado. Também foi testada a teoria quântica fundamental, com a medição de erros nas portas quânticas que usaram 2 q-bits e foi descoberto que é possível predizer, com precisão exata, todos os resultados de eficiência dos circuitos que comprovam a Supremacia Quântica. Com isso, eles demonstraram que não há física inesperada ocorrendo que possa prejudicar o desempenho de computadores quânticos. Portanto, o experimento fornece evidências de que computadores quânticos mais complexos devem funcionar de acordo com a teoria e fez os cientistas sentirem confiança em continuar os esforços para aumentar a escalabilidade da descoberta.

Aplicações

O computador quântico com processador Sycamore é totalmente programável e pode executar algoritmos quânticos de uso geral. Desde quando foram alcançados resultados compatíveis a Supremacia Quântica em 2018, a equipe de pesquisa já está trabalhando em aplicações de curto prazo, além de novas aplicações na área de aprendizagem de máquina, dentre outas áreas.

Agora também os cientistas envolvidos no projeto possuem um algoritmo quântico amplamente útil para aplicações em Ciência da Computação: aleatoriedade quântica certificável. A aleatoriedade é um recurso importante na ciência da computação, sendo a aleatoriedade quântica seu padrão máximo a ser atingido, especialmente se os números puderem ser auto-verificados (certificados) como provenientes de um computador quântico. O teste desse algoritmo está em andamento e, nos próximos meses, está sendo planejado sua implementação em um protótipo que possa fornecer números aleatórios certificáveis.

O que vem em seguida?

O time de cientistas possui dois objetivos principais para o futuro da pesquisa, ambos no sentido de encontrar aplicativos valiosos na computação quântica. Primeiramente, no futuro, serão disponibilizados os processadores da mais alta classe de supremacia para colaboradores e pesquisadores acadêmicos, bem como empresas interessadas em desenvolver algoritmos e procurar aplicativos para os processadores NISQ atuais [9]. Pesquisadores criativos são o recurso mais importante para a inovação – agora que temos um novo recurso computacional, é esperado que mais pesquisadores entrem nessa área motivados, tentando inovar com algo útil.

Segundo, existe um investimento no time atual e em tecnologia para construir um computador quântico tolerante a falhas o mais rápido possível. Esse dispositivo promete várias aplicações valiosas. Por exemplo, imaginar a computação quântica ajudando a projetar novos materiais – baterias leves para carros e aviões, novos catalisadores que podem produzir fertilizantes com mais eficiência (um processo que hoje produz mais de 2% das emissões de carbono do mundo) e medicamentos mais eficazes. Alcançar as capacidades computacionais necessárias exigirá ainda anos de engenharia e trabalho científico. Porém, por hora todo o time vislumbra um caminho mais claro e estão ansiosos para seguir em frente.


Referências

[1] Wikipedia, “Quantum Computing,” Wikipedia, a enciclopedia livre, 30 Outubro 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[2] J. M. Martinis, K. Arya e F. e. a. Arute, “2019 Springer Nature Limited,” A Nature research journal , 23 Outubro 2019. [Online]. Available: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5. [Acesso em 30 Outubro 2019].
[3] Wikipedia, “Quantum Logic Gate,” Wikipedia, a enciclopédia livre, 30 Outubro 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_logic_gate. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[4] Wikipedia, “Wave interference,” Wikipedia, a enciclopédia livre, 19 Outubro 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_interference#Quantum_interference. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[5] Wikipedia, “Church-Turing thesis,” Wikipedia, a enciclopédia livre, 20 Outubro 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Church%E2%80%93Turing_thesis#Variations. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[6] Wikipedia, “Forward Compatibility,” Wikipedia, a enciclopedia livre, 24 Agosto 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Forward_compatibility. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[7] G. A. Blog, “The Question of Quantum Supremacy,” Google AI blog, 4 Maio 2019. [Online]. Available: https://ai.googleblog.com/2018/05/the-question-of-quantum-supremacy.html. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[8] Wikipedia, “State space,” Wikipedia, a enciclopedia livre, 17 Outubro 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/State_space. [Acesso em 31 Outubro 2019].
[9] J. Preskill, “Cornell University,” arXiv is a registered trademark of Cornell University., 31 Julho 2018. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1801.00862. [Acesso em 31 Outubro 2019].

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