Um novo método emprega computadores clássicos para verificar a precisão de sistemas quânticos complexos.
Os computadores quânticos prometem superar os computadores clássicos na resolução de problemas complexos em vários domínios, como ciência da computação, medicina, negócios, química e física. No entanto, essas máquinas avançadas ainda não atingiram seu potencial máximo, pois atualmente lutam com erros inerentes. Os pesquisadores estão trabalhando diligentemente para minimizar essas falhas e melhorar o desempenho dos computadores quânticos.
Uma maneira de estudar esses erros é usar computadores clássicos para simular os sistemas quânticos e verificar suas
“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>precisão. O único problema é que, à medida que as máquinas quânticas se tornam cada vez mais complexas, executar simulações delas em computadores tradicionais levaria anos ou mais.
Agora, pesquisadores do Caltech inventaram um novo método pelo qual computadores clássicos podem medir as taxas de erro de máquinas quânticas sem ter que simulá-las completamente. A equipe descreve o método em um artigo no periódico Natureza.
“Em um mundo perfeito, queremos reduzir esses erros. Esse é o sonho do nosso campo”, diz Adam Shaw, autor principal do estudo e aluno de pós-graduação que trabalha no laboratório de Manuel Endres, professor de física no Caltech. “Mas, enquanto isso, precisamos entender melhor os erros que nosso sistema enfrenta, para que possamos trabalhar para mitigá-los. Isso nos motivou a criar uma nova abordagem para estimar o sucesso do nosso sistema.”
Simuladores quânticos e emaranhamento
No novo estudo, a equipe realizou experimentos usando um tipo de computador quântico simples conhecido como simulador quântico. Simuladores quânticos são mais limitados em escopo do que os atuais computadores quânticos rudimentares e são adaptados para tarefas específicas. O simulador do grupo é composto de átomos de Rydberg controlados individualmente — átomos em estados altamente excitados — que eles manipulam usando lasers.
Uma característica fundamental do simulador, e de todos os computadores quânticos, é o emaranhamento — um fenômeno no qual certos átomos se conectam uns aos outros sem realmente se tocarem. Quando computadores quânticos trabalham em um problema, o emaranhamento é naturalmente construído no sistema, conectando os átomos de forma invisível. No ano passado, Endres, Shaw e colegas revelaram que, à medida que o emaranhamento cresce, essas conexões se espalham de forma caótica ou aleatória, o que significa que pequenas perturbações levam a grandes mudanças da mesma forma que o bater de asas de uma borboleta pode teoricamente afetar os padrões climáticos globais.
Computadores clássicos não são capazes de simular completamente o trabalho de sistemas quânticos, especialmente aqueles com mais de 30 qubits. Como um exemplo hipotético, se um computador quântico criasse a Mona Lisa, ele poderia criar muitos dos detalhes, mas é propenso a erros, daí a aparência borrada da pintura à direita no conceito deste artista. Um computador clássico não poderia criar os detalhes tão bem quanto o computador quântico, mas poderia aproximar aproximadamente a tarefa do computador quântico, daí a pixelização da imagem à esquerda. Para contornar essa limitação e simular melhor os sistemas quânticos, os pesquisadores usaram um método para alterar a quantidade de “pixelação” em uma simulação de computador clássico e, em seguida, extrapolar a partir desses resultados para estimar a “borração” dos sistemas quânticos. Crédito: Caltech
Limites das Simulações Clássicas
Acredita-se que essa complexidade crescente é o que dá aos computadores quânticos o poder de resolver certos tipos de problemas muito mais rápido do que os computadores clássicos, como aqueles em criptografia, nos quais grandes números devem ser rapidamente fatorados.
Mas quando as máquinas alcançam um certo número de átomos conectados, ou qubits, elas não podem mais ser simuladas usando computadores clássicos. “Quando você passa de 30 qubits, as coisas ficam loucas”, diz Shaw. “Quanto mais qubits e emaranhamento você tem, mais complexos são os cálculos.”
O simulador quântico no novo estudo tem 60 qubits, o que Shaw diz que o coloca em um regime que é impossível simular exatamente. “Isso se torna um paradoxo. Queremos estudar um regime que seja difícil para computadores clássicos trabalharem, mas ainda depender desses computadores clássicos para dizer se nosso simulador quântico está correto.” Para enfrentar o desafio, Shaw e colegas adotaram uma nova abordagem, executando simulações de computador clássico que permitem diferentes quantidades de emaranhamento. Shaw compara isso a pintar com pincéis de tamanhos diferentes.
“Digamos que nosso computador quântico esteja pintando o Monalisa como uma analogia”, ele diz. “O computador quântico pode pintar de forma muito eficiente e, em teoria, perfeitamente, mas comete erros que borram a tinta em partes da pintura. É como se o computador quântico tivesse mãos trêmulas. Para quantificar esses erros, queremos que nosso computador clássico simule o que o computador quântico fez, mas nosso Monalisa seria muito complexo para isso. É como se os computadores clássicos tivessem apenas pincéis ou rolos gigantes e não pudessem capturar os detalhes mais finos.
“Em vez disso, temos muitos computadores clássicos pintando a mesma coisa com pincéis progressivamente mais finos e finos, e então apertamos os olhos e estimamos como seria se eles fossem perfeitos. Então usamos isso para comparar com o computador quântico e estimar seus erros. Com muitas verificações cruzadas, fomos capazes de mostrar que esse ‘apertar os olhos’ é matematicamente sólido e dá a resposta com bastante precisão.”
Os pesquisadores estimaram que seu simulador quântico de 60 qubits opera com uma taxa de erro de 91 por cento (ou uma taxa de precisão de 9 por cento). Isso pode parecer baixo, mas é, na verdade, relativamente alto para o estado do campo. Para referência, o Experimento do Google de 2019no qual a equipe afirmou que seu computador quântico superou os computadores clássicos, teve uma precisão de 0,3% (embora fosse um tipo de sistema diferente do usado neste estudo).
haw diz: “Agora temos um benchmark para analisar os erros em sistemas de computação quântica . Isso significa que, à medida que fazemos melhorias no hardware, podemos medir o quão bem as melhorias funcionaram. Além disso, com esse novo benchmark, também podemos medir quanto emaranhamento está envolvido em uma simulação quântica, outra métrica de seu sucesso.”
Referência: “Benchmarking highly entangled states on a 60-atom analogue quantum simulator” por Adam L. Shaw, Zhuo Chen, Joonhee Choi, Daniel K. Mark, Pascal Scholl, Ran Finkelstein, Andreas Elben, Soonwon Choi e Manuel Endres, 20 de março de 2024, Nature .
DOI: 10.1038/s41586-024-07173-x
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation (parcialmente pelo Instituto de Informação Quântica e Matéria do Caltech, ou IQIM), pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa ( DARPA ), pelo Gabinete de Pesquisa do Exército, pelo Acelerador de Sistemas Quânticos do Departamento de Energia dos EUA, pela bolsa de pós-doutorado Troesh, pela Academia Nacional Alemã de Ciências Leopoldina e pelo Instituto Walter Burke de Física Teórica do Caltech.
