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Finalmente, os físicos de Harvard e do MIT (ambos nos Estados Unidos) encontraram a melhor aplicação para computação quântica: um GIF Mario Bros feito de qubits. Os qubits (bits quânticos) também podem ser arranjados em um design do Space Invaders, ou Tetris, ou qualquer outra forma; seus desejos geométricos são ordens para os qubits.
Os GIFs são obra da QuEra Computing, uma startup de Boston (EUA), que sai do anonimato para mostrar a programabilidade de seu computador quântico de 256 qubit construído para resolver certos tipos de problemas.
A máquina QuEra é o mais recente avanço na expansão da computação quântica para torná-la mais poderosa e capaz de resolver problemas práticos. Mais qubits significa que mais informações podem ser armazenadas e processadas, e os pesquisadores que desenvolvem essa tecnologia competem continuamente para elevar o nível cada vez mais.
Em 2019, o Google anunciou que sua máquina de 53 qubit havia alcançado a supremacia quântica, realizando uma tarefa não gerenciável por um computador convencional, mas a IBM contestou a afirmação. No mesmo ano, a IBM lançou seu computador quântico de 53 qubits. Em 2020, a IonQ revelou um sistema de 32 qubit que a empresa disse ser o “computador quântico mais poderoso do mundo”. E em meados de novembro, a IBM lançou seu novo processador quântico de 127 qubit, que o comunicado de imprensa descreveu como um “pequeno milagre de design”. “A grande notícia, da minha perspectiva, é que funciona”, diz Jay Gambetta, vice-presidente de computação quântica da IBM.
Agora, a QuEra afirma ter feito um dispositivo com muito mais qubits do que qualquer um desses rivais.
O objetivo final da computação quântica, é claro, não é jogar Tetris, mas superar os computadores clássicos na resolução de problemas de interesse prático. Os entusiastas reconhecem que, quando esses computadores se tornarem poderosos o suficiente, talvez em uma ou duas décadas, eles poderão protagonizar efeitos transformadores em campos como medicina e finanças, neurociência e Inteligência Artificial. As máquinas quânticas provavelmente precisarão de milhares de qubits para gerenciar esses problemas complexos.
O número de qubits, no entanto, não é o único fator que importa.
A QuEra também está promovendo a programabilidade aprimorada de seu dispositivo, em que cada qubit é um único átomo ultrafrio. Esses átomos são precisamente organizados com uma série de lasers (os físicos os chamam de pinças ópticas). O posicionamento dos qubits permite que a máquina seja programada, ajustada ao problema que está sendo analisado e até mesmo reconfigurada em tempo real durante o processo de cálculo.
“Problemas diferentes exigirão que os átomos sejam organizados em configurações diferentes”, diz Alex Keesling, CEO da QuEra e co-inventor da tecnologia. “Uma das coisas únicas sobre nossa máquina é que cada vez que a executamos, algumas vezes por segundo, podemos redefinir completamente a geometria e a conectividade dos qubits”.
A vantagem do átomo
A máquina da QuEra foi construída a partir de um projeto e tecnologias refinadas ao longo de vários anos, liderada por Mikhail Lukin e Markus Greiner em Harvard e Vladan Vuletić e Dirk Englund no MIT (todos os quatro estão na equipe fundadora da QuEra). Em 2017, um modelo anterior do dispositivo, do grupo Harvard, usava apenas 51 qubits; em 2020, os quatro envolvidos na concepção apresentaram a máquina de 256 qubit. Dentro de dois anos, a equipe QuEra espera atingir 1.000 qubits e, então, sem mudar muito a plataforma, eles esperam continuar aumentando o sistema para além de centenas de milhares de qubits.
É a plataforma única da QuEra, a maneira física como o sistema é montado e o método pelo qual as informações são codificadas e processadas, que deve permitir esses saltos de escala de qubits.
Enquanto os sistemas de computação quântica do Google e da IBM usam qubits supercondutores e o IonQ usa íons presos, a plataforma da QuEra usa matrizes de átomos neutros que produzem qubits com coerência impressionante (ou seja, um nível “quântico” alto). A máquina usa pulsos de laser para fazer os átomos interagirem, estimulando-os a um estado de energia, um “estado Rydberg”, descrito em 1888 pelo físico sueco Johannes Rydberg, no qual eles podem fazer lógica quântica de uma forma robusta com alta fidelidade. Essa abordagem de Rydberg para a computação quântica foi trabalhada por algumas décadas, mas os avanços tecnológicos, por exemplo, com lasers e fotônica, foram necessários para fazê-la funcionar de maneira confiável.
“Irracionalmente eufórico”
Quando o cientista da computação Umesh Vazirani, diretor do Berkeley Quantum Computation Center, ficou sabendo que a pesquisa de Lukin estava seguindo essas linhas, ele se sentiu “irracionalmente eufórico”, parecia uma abordagem maravilhosa, embora Vazirani questionasse se suas intuições fossem realistas. “Tivemos várias vias bem desenvolvidas, como supercondutores e armadilhas de íons, que vêm sendo trabalhados há muito tempo”, diz ele. “Não deveríamos estar pensando em esquemas diferentes?” Ele conversou com John Preskill, físico do California Institute of Technology e diretor do Institute for Quantum Information and Matter, que garantiu a Vazirani que sua euforia era justificada.
Preskill acha as plataformas Rydberg (não apenas as de QuEra) interessantes porque produzem qubits de interação forte que são altamente interligados, “e é aí que está a magia quântica”, diz ele. “Estou muito animado com o potencial em uma escala de tempo relativamente curta para descobrir coisas inesperadas”.
Além de simular e compreender materiais quânticos e dinâmicos, que Lukin chama de “os primeiros exemplos de vantagem quântica útil envolvendo aplicações científicas”, os pesquisadores também estão trabalhando em algoritmos quânticos para resolver problemas de otimização computacional que são NP-completos (ou seja, muito difíceis).
Um dos investidores da QuEra é a Rakuten, uma empresa japonesa de serviços de Internet, e-commerce e fintech, que está interessada em explorar o problema de otimizar o posicionamento de antenas para serviços móveis 4G e 5G. “Além disso, a tecnologia promete resolver muitos problemas de otimização, desde rotas de entrega, portfólio, mecanismos de pesquisa e sistemas de recomendação”, disse Takuya Kitagawa, diretor de dados da Rakuten. “O sonho é grande”.
Preskill, no entanto, não está particularmente otimista de que a máquina da QuEra irá superar os algoritmos clássicos para problemas de otimização. Ele é quem cunhou o termo supremacia quântica (descrevendo o ponto em que os computadores quânticos podem fazer coisas que os computadores clássicos não podem), e ele observa: “Não temos argumentos teóricos fortes de que logo veremos vantagem quântica na otimização. Mas é certamente digno de investigação”.
E Preskill está entusiasmado com o plano da QuEra de tornar sua plataforma amplamente acessível para pesquisa e desenvolvimento. Ter uma comunidade maior de pessoas testando e jogando com as máquinas, diz ele, ajudará a descobrir no que elas são boas. Esperamos que eles não passem o tempo apenas jogando Tetris e Space Invaders.
MIT Technology Review
