Computador quântico IBM Nighthawk r2 faz em 19 segundos tarefa de 110 anos num supercomputador

Há cálculos tão exigentes que é necessária uma instalação de potência extraordinária para sequer considerar executá-los.

São os supercomputadores: instalações gigantescas, cheias de processadores gráficos e centrais, que executam aplicações para as quais um computador de secretária precisaria de centenas a milhares de anos.

Um computador quântico acessível comercialmente acaba de alcançar um feito que sugere que esta tecnologia mais recente poderá um dia deixar os supercomputadores muito para trás.

O processador Nighthawk r2, da IBM, gerou um milhão de amostras em apenas 19 segundos. Estima-se que a mesma tarefa demorasse cerca de 110 anos num supercomputador.

Os resultados da experiência foram descritos num pré-artigo que está disponível no arXiv.

«Tanto quanto sabemos», escrevem os investigadores num artigo liderado por Tigran Sedrakyan, físico teórico da matéria condensada da BlueQubit, nos Estados Unidos, «esta é a primeira demonstração de vantagem quântica numa amostragem convencional de circuitos aleatórios, num processador quântico comercial e amplamente acessível, que a maioria dos utilizadores não especialistas de computadores quânticos pode reproduzir facilmente».

A corrida pela vantagem quântica

A luta pela vantagem quântica é uma corrida armamentista entre supercomputadores e computadores quânticos que arrancou verdadeiramente em 2018.

A ideia de base é que deverá existir um cálculo quântico cuja execução seja proibitivamente difícil, se não impossível, para um computador clássico.

Em 2018, investigadores da Universidade da Califórnia em Berkeley apresentaram provas teóricas sólidas de que uma das principais tarefas candidatas permitiria demonstrá-lo: a amostragem de circuitos aleatórios, ou RCS.

Um circuito quântico consiste numa sequência de operações realizadas em qubits, de forma algo semelhante às operações efetuadas sobre bits num computador convencional.

Na RCS, essas operações são escolhidas em grande parte ao acaso, criando um estado quântico cada vez mais complexo. O processador mede depois esse estado repetidamente, produzindo sequências de uns e zeros: as «amostras».

Gerar as amostras é relativamente simples. Contudo, à medida que aumentam o número de qubits e de operações, calcular a distribuição de probabilidades necessária para reproduzir os mesmos resultados num computador clássico torna-se uma tarefa de Sísifo.

Em 2019, a Google anunciou, num caso que ficou célebre, que o seu processador Sycamore, de 53 qubits, tinha realizado uma experiência de RCS fora do alcance prático de um supercomputador clássico.

Mas não demorou até que os investigadores da computação clássica começassem a encontrar formas criativas de levar os computadores convencionais a reproduzir esses resultados. Por sua vez, os investigadores quânticos foram levando os seus sistemas a extremos cada vez maiores, recorrendo à tecnologia mais avançada disponível.

A experiência com o processador quântico Nighthawk r2

Este novo resultado é diferente.

Em vez de recorrerem a um processador quântico experimental especializado, Sedrakyan e os colegas realizaram a experiência no Nighthawk r2, um processador quântico supercondutor de 120 qubits, acessível comercialmente aos utilizadores através da plataforma de computação em nuvem da IBM.

A equipa selecionou 61 desses qubits e submeteu-os a circuitos aleatórios de complexidade crescente, até 40 ciclos: rondas repetidas de operações nas quais os 61 qubits são manipulados e entrelaçados.

É significativo que o tenham feito com o fluxo de trabalho habitual da plataforma em nuvem, sem qualquer calibração especial adaptada à experiência.

Encontraram o ponto ideal nos 36 ciclos, com um circuito que envolvia 918 portas de dois qubits. Nestas condições, o Nighthawk r2 gerou 1 milhão de amostras em apenas 19 segundos.

Por mais surpreendente que pareça, essa é a parte fácil.

Muito mais difícil é avaliar o grau de dificuldade da tarefa para um computador clássico.

Como se pressupõe que a execução desta tarefa é praticamente impossível para um supercomputador, e como os supercomputadores mais avançados do mundo são muito solicitados, os cientistas não podem simplesmente executar o programa numa dessas máquinas e observar o resultado.

Felizmente, existe uma ferramenta que podem utilizar: uma técnica chamada contração de redes tensoriais, capaz de estimar o custo computacional da simulação de um circuito quântico num computador clássico.

A estimativa para o supercomputador Frontier

Com essa abordagem, Sedrakyan e os colegas calcularam que seriam necessárias cerca de 1,2 × 10²⁷ operações computacionais para reproduzir o seu milhão de amostras.

O Frontier foi o primeiro supercomputador de exaescala do mundo e o mais rápido até 2024, com um desempenho máximo superior a um trilião (1 × 10¹⁸) de operações por segundo. Usando uma estimativa mais conservadora do seu desempenho sustentado, os investigadores calcularam que o feito do Nighthawk r2 corresponderia a cerca de 110 anos de tempo de computação.

Há, contudo, ressalvas importantes. Os 110 anos não representam um limite fundamental de velocidade para os computadores clássicos, mas sim uma estimativa baseada num método específico de reprodução da experiência quântica.

Além disso, como a história já mostrou, os investigadores da computação clássica são muito hábeis a encontrar atalhos. Algoritmos mais eficientes poderiam reduzir drasticamente a quantidade de trabalho necessária.

Sedrakyan e os colegas reconhecem explicitamente essa possibilidade. Não afirmam que nenhum computador clássico conseguirá alguma vez igualar o desempenho do Nighthawk r2, mas sim que, segundo este critério de avaliação, o processador quântico ganhou uma vantagem substancial.

É mais um desafio lançado na corrida pela vantagem quântica, não num espírito de superioridade, mas como uma competição entre colegas que acabará por levar ambos os lados a encontrar melhores formas de computação.

Na verdade, é também uma demonstração dessa competição em ação: a vantagem quântica foi alcançada não com equipamento de laboratório feito à medida, mas com equipamento acessível comercialmente.

Os investigadores salientam que realizaram a experiência numa «unidade de processamento quântico publicamente disponível e acessível através de uma plataforma em nuvem», usando o conjunto habitual de ferramentas de execução da plataforma. Também disponibilizaram os circuitos, as amostras e o código de análise, para que outros possam testar o resultado por si próprios.

O desafio está lançado. Quem o quer aceitar?

As conclusões ainda não foram revistas por pares, mas existe um pré-artigo disponível no arXiv.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.