Computadores quânticos ultrapassam limite clássico num novo teste

Os computadores quânticos deverão ter capacidades muito além das dos sistemas convencionais, mas confirmar que realmente as possuem é surpreendentemente difícil: verificar os seus resultados pode, por si só, exigir cálculos que se tornam impraticáveis para máquinas clássicas.

Este é o problema da verificação quântica, e uma nova experiência encontrou uma solução engenhosa: um jogo que testa ambos os tipos de sistemas.

A condição é que existe um limite matematicamente demonstrado para o desempenho de qualquer computador clássico.

Quando uma equipa liderada pelos cientistas informáticos Marcello Benedetti e Harry Buhrman, da Quantinuum, no Reino Unido, executou o jogo num sistema quântico de iões aprisionados, este ultrapassou esse limite com facilidade.

Além disso, à medida que o teste se tornou mais exigente, o fosso entre o desempenho do sistema quântico e o melhor resultado clássico possível foi aumentando, segundo o artigo publicado na Nature Communications.

Superposição quântica e o problema da verificação

Os computadores quânticos obtêm as suas capacidades invulgares na física estranha que rege as partículas às escalas mais pequenas.

Nos computadores clássicos, os bits representam informação através de um de dois estados - 1 ou 0. Já os bits quânticos, ou qubits, podem permanecer numa superposição dos dois estados até serem medidos. A medição faz colapsar essa superposição e produz apenas um resultado definido.

Do ponto de vista computacional, a natureza matemática da superposição pode ser extremamente poderosa, permitindo a um computador quântico resolver rapidamente certos problemas que seriam extraordinariamente difíceis para um computador convencional.

Foi precisamente esse poder computacional da superposição que os investigadores procuraram avaliar.

Para o fazer, criaram um jogo assente numa tarefa computacional chamada amostragem do complemento.

Como funciona a amostragem do complemento

Imagine que todas as respostas possíveis a um problema são secretamente separadas em dois grupos iguais, A e B. É-lhe dada uma resposta escolhida aleatoriamente do grupo A e o desafio consiste em devolver uma resposta pertencente ao grupo B.

Para um computador clássico, esta informação não é suficiente. Sabe que a resposta recebida pertence a A e, por isso, sabe que não deve devolver essa mesma resposta. Contudo, não consegue determinar quais das restantes respostas possíveis pertencem a A e quais pertencem a B.

Quanto maior for o número de respostas possíveis, menor será a utilidade dessa única informação. De facto, os investigadores conseguiram demonstrar matematicamente o desempenho exacto da melhor estratégia clássica possível.

Um computador quântico, porém, opera segundo regras muito diferentes.

Como um qubit em superposição pode estar nos seus dois estados em simultâneo até ser medido, o computador quântico pode receber um estado que contém todo o conjunto A em superposição, em vez de reduzir a resposta a uma única amostra.

E, crucialmente, consegue manipular essa superposição antes de a medir. Com recurso ao que os investigadores designam por circuito "trocador", o computador quântico converte o estado que representa o conjunto A num estado que representa o seu complemento, o conjunto B.

Só depois mede o estado, obtendo uma resposta de B. Num sistema quântico ideal e sem erros, esta estratégia vence sempre.

Para um computador clássico, a tarefa é exponencialmente mais difícil. Tem de medir o estado recebido para obter uma resposta aleatória do grupo A e, depois, tentar devolver uma resposta do grupo B.

Isto gera uma enorme diferença entre as capacidades dos dois tipos de sistemas.

Enquanto um sistema quântico ideal ganha todas as rondas, a vantagem acessível até à melhor estratégia clássica possível diminui exponencialmente à medida que aumenta o número de bits - e, consequentemente, o número de respostas possíveis.

E não se trata apenas de os investigadores ainda não terem encontrado um algoritmo clássico suficientemente inteligente. O limite está demonstrado matematicamente, sem depender de pressupostos sobre a dificuldade que o cálculo poderá ter.

Assim, a equipa passou a dispor de algo invulgarmente valioso: um teste cujas respostas são fáceis de verificar, mas em que o desempenho clássico tem um tecto rígido. Por isso, levou-o a um computador quântico real.

Computadores quânticos H2 da Quantinuum ultrapassam o limite clássico

Os investigadores executaram o jogo de amostragem do complemento nos computadores quânticos H2 de iões aprisionados da Quantinuum, recorrendo a milhares de circuitos diferentes e ampliando as experiências até 55 qubits.

Naturalmente, as máquinas reais não eram tão perfeitas como a teoria. À medida que as experiências aumentavam de dimensão e exigiam mais operações quânticas, o ruído do hardware degradava progressivamente o seu desempenho.

Mesmo assim, o sistema quântico ultrapassou de forma consistente o limite clássico.

Em todas as experiências, o computador quântico obteve resultados tão bons que eram estatisticamente incompatíveis com os que qualquer estratégia clássica poderia alcançar.

Melhor ainda, a diferença aumentou à medida que o problema se tornava mais difícil. A vantagem observada experimentalmente cresceu exponencialmente com o comprimento das cadeias de bits, acompanhando de perto - embora sem igualar totalmente - o comportamento previsto para a estratégia quântica ideal.

Na maior escala testada - cadeias de 37 bits -, o sistema não alcançou exactamente o desempenho ideal teórico, mas os resultados demonstraram ainda assim uma "violação exponencialmente grande da classicidade", assinalam os investigadores.

A experiência tem algumas limitações.

O "árbitro", que escolhe a resposta inicial, e o "jogador", que a analisa e fornece o complemento, foram implementados no mesmo computador quântico. Para simular o canal de comunicação entre ambos, foi usada teletransmissão quântica.

Um teste futuro mais rigoroso colocaria os dois em computadores quânticos distintos, ligados por um canal genuíno de comunicação quântica.

Mas esse é um obstáculo que poderá ser ultrapassado na próxima ronda de experiências.

Por agora, o resultado constitui uma prova de conceito: uma nova forma de testar hardware quântico que é eficiente de verificar, escalável e, sobretudo, não assenta em pressupostos não comprovados sobre aquilo que os computadores clássicos podem ou não conseguem fazer.

"O nosso teste", escrevem os investigadores, "demonstra o poder da superposição quântica de uma forma independente do entrelaçamento e da não-localidade."

As conclusões foram publicadas na Nature Communications.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar algum erro, informe-nos, por favor.