Cientistas russos estabeleceram um recorde mundial em computação quântica.

Há pessoas que ainda consideram as tecnologias quânticas semelhantes à alquimia ou mesmo ao esoterismo, e geralmente não acreditam nelas. Enquanto isso, as tecnologias quânticas são um dos principais tópicos nas discussões do chefe de Estado com os chefes de empresas estatais e a Academia Russa de Ciências, juntamente com a microeletrônica, os novos materiais e a exploração espacial. Isso significa que elas têm algum mérito, e precisamos entender, pelo menos em um sentido bastante simplificado, o que são.

"Onda-partícula" indivisível

Livros de referência nos dizem que um quantum é a menor porção indivisível de uma grandeza física, como energia ou luz. Ou seja, um quantum de luz é um único fóton, um quantum de matéria é um átomo, um quantum de carga é a carga de um elétron... Quanta se comporta tanto como partículas quanto como ondas, possuindo a propriedade de existir em vários estados simultaneamente. Por exemplo, um elétron em um átomo não tem uma trajetória fixa de rotação ao redor do núcleo, como um planeta ao redor do Sol. Podemos medir sua energia ou velocidade, mas não podemos determinar sua localização sem destruir seu estado.

Esse estado de incerteza é chamado de superposição. Para ilustrar esse princípio, o físico austríaco Erwin Schrödinger propôs um experimento mental em meados da década de 1930: um gato é colocado em uma caixa escura com um veneno mortal, que poderia, com alguma probabilidade, funcionar ou não. Portanto, até que a caixa seja aberta (ou seja, o sistema seja parado), não sabemos se o gato está vivo ou morto e, portanto, ele está em uma superposição "vivo-morto".

Outra característica fundamental da mecânica quântica é o emaranhamento quântico. Isso significa que os estados de duas ou mais partículas podem estar tão intimamente interconectados que não podem ser descritos separadamente, independentemente da distância entre elas. Elas "sentem" uma à outra, por assim dizer, a uma grande distância, e uma mudança em uma partícula imediatamente acarreta uma mudança na outra. Um exemplo bastante aproximado desse princípio são as meias. Imagine que você comprou um novo par de meias indistinguíveis na loja. Você dá uma meia para um amigo que vai a Vladivostok e fica com a outra. Como você sabe qual meia foi parar em Vladivostok — a da esquerda ou a da direita? Você nunca saberá até realizar uma ação específica com sua própria meia — isto é, calçá-la. Se você calçar a meia no pé direito, em Vladivostok, ela será automaticamente a meia esquerda.

Os princípios descritos são usados ​​para criar um computador quântico. Por exemplo, em um computador clássico, a unidade fundamental de informação é um bit, que só pode estar em um de dois estados: "0" ou "1" ("desligado" ou "ligado"). Em um computador quântico, o equivalente a um bit é um qubit, que pode estar não apenas no estado "0" ou "1", mas também em uma superposição de ambos, ou seja, representando simultaneamente ambos os valores com certas probabilidades. Usando superposição e emaranhamento, os computadores quânticos são teoricamente capazes de resolver certos problemas significativamente mais rápido do que os supercomputadores clássicos mais poderosos.

O sistema binário desaparecerá?

Embora a ideia da computação quântica tenha sido proposta pela primeira vez em 1980 pelo cientista soviético Yuri Manin e pelo americano Paul Benioff, a corrida quântica só começou em 2018 (a Rússia aderiu em 2020). Como dizem os desenvolvedores, o conceito de "computador quântico" ainda está em seus primórdios e levará muito tempo para amadurecer.

No entanto, muitos já declaram que, uma vez totalmente desenvolvido, esse milagre da tecnologia e do pensamento humano será mais diferente da tecnologia moderna do ábaco do que um computador moderno de... um ábaco. Enquanto um ábaco de madeira e nosso computador do dia a dia são, afinal, elos do mesmo sistema binário, a tecnologia do ábaco quântico será significativamente diferente, permitindo aos humanos entrar em um reino completamente diferente de problemas e soluções, assim como a criação da nave espacial nos permitiu deixar a Terra e entrar no espaço. Vamos agora relembrar qual a porcentagem de pessoas no início da era espacial que acreditava que isso algum dia aconteceria?

Espera-se que a aceleração "espacial" dos cálculos em um computador quântico ajude a criar medicamentos personalizados, desvendar os segredos do cérebro e criar os sistemas de proteção de dados mais confiáveis, ou seja, a criptografia. No entanto, um computador quântico não substituirá aquele em que este artigo foi escrito. Por quê? Porque ele terá tarefas diferentes, além das capacidades de um computador convencional, assim como as tarefas de um foguete espacial vão além das capacidades do nosso trem de alta velocidade terrestre.

Arquitetos de Computação

O desenvolvimento de computadores quânticos baseados em quatro plataformas quânticas diferentes simultaneamente é atualmente considerado promissor: átomos neutros, fótons, supercondutores e íons. A Rússia, como país líder nesse campo, também está investindo nessas áreas. Especialistas estão confiantes de que essa diversidade nos permitirá alcançar os melhores resultados em diversas áreas da computação. Também é possível que, com o tempo, uma dessas abordagens de desenvolvimento se torne um beco sem saída ou que surja uma nova direção promissora.

A tecnologia mais avançada atualmente é considerada a criação de qubits com base em circuitos supercondutores. O recordista nessa classe é o processador quântico Condor, de 1.121 qubits, da IBM.

Mas o número de qubits por si só, diz Ilya Semerikov, desenvolvedor do computador quântico iônico russo de 50 qubits, não nos diz muita coisa. Em um computador quântico, a qualidade computacional e a minimização de erros são especialmente valiosas e, nesses aspectos, nosso computador é quase tão bom quanto o de 1121 qubits. No entanto, atingir a precisão do computador quântico iônico Quantinuum H2-1 de 56 qubits exigirá algum trabalho.

Segundo Semerikov, o computador russo utiliza uma cadeia de íons de itérbio como qubits. A tecnologia de qubits iônicos baseia-se no uso de campos eletromagnéticos para aprisionar íons individuais no espaço. Essas partículas são "suspensas" em uma armadilha e permanecem praticamente imóveis, o que reduz a interferência externa e permite que seu estado quântico seja mantido por um tempo relativamente longo. Na armadilha iônica, as partículas são resfriadas até próximo do zero absoluto, e seu estado pode ser manipulado por meio de pulsos de laser. A sequência desses pulsos forma a base dos algoritmos quânticos.

Portanto, o computador russo tem menos qubits que o americano, mas esse pequeno número de unidades de informação é compensado pela alta confiabilidade das operações. Pesquisadores da FIAN testaram uma ideia original, usando não um simples qubit (sistema quântico de dois níveis), mas um de quatro níveis — um sistema qudit — como uma única unidade de computação, que é de 2 a 6 vezes mais eficiente, dependendo dos algoritmos computacionais subjacentes.

Campeões de estados sutis

Para alguns algoritmos, essa arquitetura específica se mostrou mais vantajosa, levando nossos cientistas, no ano passado, a implementar os chamados algoritmos de Grover, que oferecem uma aceleração significativa dos algoritmos de busca em bancos de dados não classificados e não ordenados. No experimento, eles treinaram uma rede neural para classificar imagens manuscritas de dígitos usando um computador quântico.

Mais recentemente, cientistas do Instituto de Física se destacaram por serem os primeiros no mundo a demonstrar uma operação de entrelaçamento multi-qubit, a "porta de Toffoli", em seu computador quântico, com o número máximo de qubits. Isso foi relatado recentemente na prestigiosa revista de física Physical Review Letters.

Referência MK: A porta de Toffoli é um elemento lógico quântico, uma "alavanca" que atua sobre três qubits (bits quânticos). Ela altera o estado do terceiro qubit somente se os dois primeiros qubits estiverem no estado "1" (ou seja, exibirem o valor correto). Caso contrário, ela não altera o terceiro qubit e não tem efeito sobre os dois primeiros.

"Foi uma operação lógica multi-qubit generalizada em 10 qubits", explica Ilya Semerikov. "Até o momento, é a maior operação desse tipo documentada na literatura científica global. Essa porta (ou 'alavanca') se aplica a vários algoritmos quânticos simultaneamente, incluindo o algoritmo de correção de erros. E o que demonstramos se deve em grande parte aos nossos teóricos do grupo de Alexey Fedorov; eles desenvolveram uma maneira de usar sistemas quânticos multinível para realizar essa operação multipartículas, digamos, em 10 etapas em vez de 100.

– Quão poderosos os computadores quânticos já se mostraram em comparação aos convencionais?

– De jeito nenhum... Ainda não existem tarefas úteis em que os computadores quânticos superem os clássicos. Este é o resultado que cientistas do mundo todo buscam hoje.

– Mas eu li sobre novos medicamentos contra o câncer, por exemplo, que já estão sendo descobertos usando computação quântica...

Por enquanto, estamos falando de computadores quânticos realizando um cálculo específico em direção a um objetivo final. Estes são projetos-piloto, por enquanto, para aprender a trabalhar com computadores quânticos. Deixe-me fazer uma analogia: você tem uma máquina que consegue contar bem de 1 a 100, e eu venho até você com outra que só consegue contar até 3, mas muito rápido. Eles dizem: "Ok, aumente a potência dela em 30 vezes e depois veremos se ela consegue contar até 100." Esse é o nível dos nossos computadores quânticos hoje.

A inteligência artificial, outra tecnologia promissora, parece ter avançado muito mais. Será que os esforços para criar um computador quântico "maduro" serão em vão?

Certamente, a IA está apresentando resultados muito bons atualmente. Em termos de criação de medicamentos e compostos químicos complexos, as redes neurais estão apresentando resultados muito melhores. Também as usamos para otimizar nosso computador quântico. Mas há uma diferença: a IA só funciona quando há uma amostra grande, um banco de dados específico, e ela só precisa "adivinhar" e "completar" o quadro que o cliente — o ser humano — espera. Um computador quântico, no entanto, pode operar sem dados iniciais ou treinamento prévio.

– Mas o que nos permite acreditar em suas possibilidades futuras?

De modo geral, um computador quântico ainda surpreende por si só. Muitos, mesmo entre os desenvolvedores, ainda não entendem como ele consegue realizar cálculos simples! O recorde mundial que demonstramos com o algoritmo de Toffoli é um resultado importante no caminho para aplicações práticas reais no futuro. Um computador quântico deve auxiliar um computador clássico na resolução de problemas potencialmente mais complexos, como a modelagem de materiais e compostos químicos fundamentalmente novos, logística complexa e energia. Algoritmos para esses problemas são conhecidos, mas para que funcionem, um computador quântico precisa se tornar várias ordens de magnitude mais poderoso do que é hoje. Teóricos quânticos e algoritmistas também continuam seu trabalho, e espero que em breve veremos novas classes de algoritmos quânticos.