Computador quântico da IBM conclui em 19 segundos tarefa que um supercomputador levaria um século para fazer

Alguns cálculos são tão complexos que exigem uma capacidade computacional extraordinária até mesmo para serem executados.

Com informações de Science Alert.

Os supercomputadores são instalações gigantescas repletas da potência de suas GPUs e CPUs, processando aplicativos que levariam centenas ou até milhares de anos para um computador de mesa.

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

Em apenas 19 segundos, o processador Nighthawk r2 da IBM gerou um milhão de amostras – uma tarefa que, segundo estimativas, levaria cerca de 110 anos para um supercomputador.

Os resultados do experimento foram descritos em um preprint atualmente disponível no arXiv.

“Até onde sabemos”, escrevem pesquisadores em um artigo liderado pelo físico teórico da matéria condensada Tigran Sedrakyan, da BlueQubit, nos EUA, “esta é a primeira demonstração de vantagem quântica para uma amostragem de circuito aleatório simples em um processador quântico comercialmente acessível e de fácil acesso, que a maioria dos usuários não especialistas em computadores quânticos pode replicar facilmente.”

A batalha pela vantagem quântica é uma corrida armamentista entre supercomputadores e computadores quânticos que realmente começou em 2018.

A premissa básica é que deve existir um cálculo quântico que seja proibitivamente difícil – senão impossível – para um computador clássico realizar.

Em 2018, pesquisadores da UC Berkeley forneceram fortes evidências teóricas de que uma das principais tarefas candidatas seria adequada para o trabalho: amostragem aleatória de circuitos, ou RCS.

Um circuito quântico é uma sequência de operações realizadas em qubits, de certa forma análoga às operações realizadas em bits em um computador convencional.

Na RCS, essas operações são escolhidas em grande parte aleatoriamente, criando um estado quântico cada vez mais complexo. O processador então mede esse estado repetidamente, produzindo sequências de uns e zeros – as “amostras”.

Produzir as amostras é bastante simples, mas à medida que o número de qubits e operações aumenta, calcular a distribuição de probabilidade necessária para reproduzir os mesmos resultados em um computador clássico torna-se uma tarefa hercúlea.

Em 2019, o Google anunciou que seu processador Sycamore de 53 qubits havia realizado um experimento de RCS (Seção Reta de Computação) além do alcance prático de um supercomputador clássico.

Mas não demorou muito para que os pesquisadores clássicos começassem a encontrar maneiras criativas de levar os computadores convencionais a reproduzir esses resultados – e para que os pesquisadores quânticos levassem seus sistemas a extremos cada vez maiores, usando a tecnologia mais avançada disponível.

Este novo resultado é algo completamente diferente.

Em vez de usar um processador quântico experimental especializado, Sedrakyan e seus colegas executaram seu experimento no Nighthawk r2, um processador quântico supercondutor de 120 qubits comercialmente acessível aos usuários por meio da plataforma de nuvem da IBM.

Eles selecionaram 61 de seus qubits e os submeteram a circuitos aleatórios de complexidade crescente, até 40 ciclos – rodadas repetidas de operações nas quais os 61 qubits são manipulados e emaranhados.

E, o que é significativo, eles fizeram isso usando o fluxo de trabalho padrão em nuvem da plataforma – sem nenhuma calibração especial adaptada ao experimento.

Eles encontraram a zona ideal em 36 ciclos – onde o circuito envolvia 918 portas de dois qubits. Nessas condições, o Nighthawk r2 gerou 1 milhão de amostras em apenas 19 segundos.

Surpreendentemente, essa é a parte fácil.

É muito mais difícil avaliar o quão difícil seria a tarefa para um computador clássico.

Como se supõe ser praticamente impossível para um supercomputador realizar essa tarefa, e como os supercomputadores mais potentes do mundo são muito requisitados, os cientistas não podem simplesmente executar o programa em um supercomputador e observar o que acontece.

Felizmente, existe uma ferramenta que eles podem usar – uma técnica chamada contração de rede tensorial que pode estimar o custo computacional da simulação de um circuito quântico em um computador clássico.

Utilizando essa abordagem, Sedrakyan e seus colegas calcularam que reproduzir seu milhão de amostras exigiria cerca de 1,2 × 10²⁷ operações computacionais.

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

Há algumas ressalvas importantes. Esses 110 anos não representam um limite de velocidade fundamental para computadores clássicos, mas sim uma estimativa baseada em um método específico de reprodução do experimento quântico.

E, como a história já demonstrou, os pesquisadores da computação clássica são muito bons em encontrar atalhos. Algoritmos mais eficientes poderiam reduzir drasticamente a quantidade de trabalho necessária.

Sedrakyan e seus colegas reconhecem explicitamente essa possibilidade. Sua afirmação não é que nenhum computador clássico jamais será capaz de igualar o desempenho do Nighthawk r2, mas sim que, por este teste de desempenho, o processador quântico obteve uma vantagem substancial.

É mais um desafio lançado na corrida armamentista da vantagem quântica – um desafio, não em espírito de superioridade, mas uma competição colegiada que, em última análise, levará ambos os lados a encontrar maneiras melhores de computar.

E, de fato, é uma demonstração dessa competição em ação – a vantagem quântica alcançada não em equipamentos de laboratório personalizados, mas em hardware comercialmente acessível.

Os pesquisadores enfatizam que executaram o experimento em uma “QPU disponível publicamente e acessível por meio de uma nuvem”, usando a pilha de execução em nuvem padrão, e disponibilizaram os circuitos, exemplos e código de análise para que outros possam testar o resultado por si mesmos.

O desafio está aqui. Quem quer vir buscá-lo?

Os resultados ainda não foram revisados ​​por pares, mas uma versão preliminar está disponível no arXiv.

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