Dentro brevemente
- Uma pesquisa recente liderada pelo Google Quantum AI mostra que os computadores quânticos podem não precisar de acesso à tolerância total a falhas para funcionar melhor do que os computadores clássicos, encontrando um estágio em que os atuais dispositivos Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) podem se destacar.
- Usando um sistema de 67 qubits, a equipe usou amostragem de circuito aleatório (RCS) para identificar condições em que os sistemas quânticos retêm complexidade suficiente para superar as simulações clássicas.
- Os pesquisadores pretendem usar esta fase de computação estável para resolver problemas do mundo real em finanças, materiais e ciências da vida, sugerindo que os dispositivos NISQ podem fornecer valor antes que sistemas totalmente tolerantes a falhas sejam desenvolvidos.
Os computadores quânticos podem não precisar atingir o nível total de tolerância a falhas para realizar cálculos comerciais úteis, sugere uma nova pesquisa.
Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pelo Google Quantum AI, relata em um novo artigo de pesquisa publicado na Nature que identificou um nível de complexidade computacional – o “ponto ideal” – onde computadores quânticos barulhentos podem superar os supercomputadores clássicos.
A descoberta pode fazer com que os computadores quânticos barulhentos de escala intermediária (NISQ) sejam mais eficientes do que os computadores de última geração em algumas tarefas comerciais, disse Sergio Boixo, diretor de computação quântica do Google Quantum AI, ao Quantum Insider. Boixo ajudou a liderar a pesquisa com Alexis Morvan, cientista pesquisador do Google Quantum AI.
“Portanto, a pergunta que estamos respondendo é esta: estamos na era NISQ, o que significa que temos computadores quânticos barulhentos e a questão já existe há muito tempo: 'Você pode encontrar aplicações onde possa fazer melhor do que supercomputadores com computadores quânticos barulhentos?'” ele disse. -Boixo, “Houve muitos desenvolvimentos teóricos nesta questão. Essa é a pergunta que respondemos no papel e respondemos: 'Sim, existe.' Estamos descobrindo uma classe de complexidade computacional em que os computadores quânticos são mais rápidos que os supercomputadores.”
A equipe realizou experimentos no chip Sycamore de 67 qubit do Google que revela uma “fase de baixo ruído” nas transições entre fases onde os cálculos são complexos o suficiente para que um computador quântico funcione de forma mais eficiente do que os dispositivos clássicos. Eles também mostram melhor desempenho do que antes com esse chip.
Esta evidência experimental mostra que um dia computadores quânticos barulhentos, quando operando sob certas condições, poderão entrar no que os cientistas chamam de “classe de alta complexidade” e serem os melhores computadores atuais para determinadas tarefas. Este pode ser um passo importante na era Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ), de acordo com a equipe.
Os pesquisadores confiaram na amostragem de circuito aleatório, ou RCS, uma técnica de benchmarking projetada para medir o desempenho de processadores quânticos, comparando suas distribuições de saída com simulações clássicas de supercomputadores. Os pesquisadores também acrescentaram no artigo que usaram Benchmarking de Entropia Cruzada, ou XEB, para testar e mostrar transições de fase no comportamento de seu sistema quântico ao usar amostras de circuitos aleatórios.
Para se ter uma ideia de como essas técnicas funcionam, o RCS funciona criando uma sequência de portas quânticas geradas aleatoriamente em um conjunto de qubits, o que produz uma distribuição de saída complexa que é difícil de ser simulada pelos computadores clássicos. Neste estudo, fornece um teste direto das capacidades de integração de um sistema quântico. XEB é um método que calcula a entropia cruzada — uma medida da dissimilaridade ou diferença em duas distribuições de probabilidade — entre a distribuição de saída obtida experimentalmente e a distribuição teórica gerada por simulações clássicas. Finalmente, os cientistas podem usar o XEB para testar a precisão e a confiabilidade do desempenho do processador quântico.
Usando este método no chip Sycamore de 67 qubits do Google, os pesquisadores identificaram um estágio em que um sistema quântico pode manter correlações complexas, mesmo na presença de ruído.
Detalhes e descobertas do teste
De acordo com o artigo, a pesquisa investiga duas transições de fase importantes em sistemas quânticos à medida que crescem em complexidade e enfrentam desafios de ruído. A primeira é uma transição dinâmica influenciada pelo número de ciclos, ou profundidade, da computação quântica. À medida que a profundidade aumenta, o sistema passa de uma situação em que a distribuição da produção está concentrada num pequeno conjunto de fios finos para uma distribuição mais ampla – conhecida como anticoncentração. Esta mudança representa um aumento na complexidade matemática do sistema, mas manter este estado em meio ao ruído ainda é um grande desafio.
A segunda mudança de fase, enfatizada pelos pesquisadores no estudo, é controlada pela taxa de erro por ciclo – o ruído que afeta o desempenho de cada porta e a interação do qubit. O estudo introduziu um modelo matemático de “elo fraco” para analisar esta mudança, alterando os níveis de ruído para compreender o seu impacto no desempenho do sistema. A equipe descobriu que se o nível de ruído por ciclo for mantido abaixo de um limite crítico, o processador quântico mantém a coerência global em todo o sistema, permitindo-lhe atingir um desempenho superior ao anterior.
Na fase de baixo ruído, esta correlação é forte o suficiente para evitar que algoritmos clássicos simplifiquem e “distorçam” os resultados de um sistema quântico. Encontrar esse equilíbrio onde o sistema mantém a coerência global e ao mesmo tempo reduz o ruído é fundamental para aproveitar o poder dos processadores quânticos, disse Boixo.
Para confirmar as suas descobertas, os investigadores confiaram no XEB mencionado acima para medir a fiabilidade do sistema e determinar os limites nos quais os ganhos quânticos podem ser alcançados. Os testes mostraram que nesta fase estável e de baixo ruído, o chip Sycamore pode realizar cálculos atualmente incomparáveis em supercomputadores mais antigos, destacando uma vantagem prática mesmo com o hardware existente.
Explorando os limites quânticos versus limites clássicos
O estudo explorou os limites computacionais de supercomputadores clássicos usando algoritmos avançados de rede tensorial para simular experimentos RCS. Os resultados mostraram que a simulação de um experimento de 67 qubits nos atuais supercomputadores de última geração, como o Frontier, poderia levar décadas, mesmo nas melhores condições de memória e largura de banda. Esta carga computacional também apoia a ideia de que a tecnologia quântica atual pode realizar tarefas além dos sistemas clássicos.
Os pesquisadores enfatizam que, apesar dos avanços nos algoritmos de simulação clássicos, a complexidade dos sistemas quânticos continua a ser um obstáculo significativo à computação clássica. Seu experimento, que utilizou um sistema de 67 qubits em 32 ciclos, mostra que esses estados quânticos atingem níveis de complexidade e profundidade que os sistemas clássicos não conseguem replicar adequadamente.
Próximos pedidos?
Este estudo fornece informações importantes sobre as condições necessárias para alcançar vantagem quântica na era NISQ. Ao identificar limites de ruído e usar técnicas de medição como RCS e XEB, os pesquisadores fornecem uma estrutura para identificar e otimizar condições onde os processadores quânticos podem superar os computadores clássicos.
O objetivo agora é aproveitar essa fase estável do computador para executar o dispositivo NISQ com um cálculo útil. A equipe propõe uma série de cálculos financeiros, de materiais e de ciências biológicas para definir metas interessantes para esta próxima etapa.
“Mostramos que estamos vencendo de forma satisfatória nesses benchmarks, portanto, o próximo passo é avançar para a candidatura”, disse Boixo.
A descoberta também pode criar um momento revolucionário em que os computadores quânticos NISQ podem fornecer valor real à medida que os cientistas avançam em direção a computadores quânticos tolerantes a falhas.
“Os computadores quânticos tolerantes a falhas, como você sabe, ainda estão a alguns anos de distância, então não podemos simplesmente saltar antes de chegarmos a esse momento tolerante a falhas”, disse Boixo. “Portanto, será um processo contínuo. E acho que muito do que aprendemos sobre como encontrar aplicações para computadores quânticos barulhentos também será muito útil nos primeiros dias da tolerância a falhas.”
O trabalho também pode ajudar a melhorar a compreensão de como o ruído interage com a dinâmica quântica para orientar esforços futuros para minimizar erros e abrir caminho para sistemas quânticos que são completamente tolerantes a falhas.
Embora este estudo seja um passo necessário na transição do NISQ original para um NISQ útil, Boixo disse que ainda há mais trabalho a ser feito.
“O próximo passo, na verdade, é passar para as aplicações, o que significa alterar amostras aleatórias de circuitos ou encontrar outro problema ou algoritmo onde possamos fazer as duas coisas ao mesmo tempo”, disse Boixo. “Queremos manter o suficiente a complexidade da amostragem aleatória de circuitos, que ainda é difícil em supercomputadores antigos, ao mesmo tempo que a tornamos mais útil.”
Para uma descrição detalhada e técnica do trabalho dos pesquisadores, leia o artigo da Nature.
As instituições participantes desta pesquisa incluem Google Research, Laboratório de Inteligência Artificial Quântica do Centro de Pesquisa Ames da NASA, KBR, Universidade de Connecticut, Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), Universidade de Massachusetts Amherst, Universidade de Auburn, Universidade de Tecnologia de Sydney, Universidade de Califórnia Riverside e Universidade de Harvard.
