Willow Quantum Chip do Google esmaga computadores clássicos em uma escala de tempo cósmica

O Google acaba de lançar seu mais recente chip quântico, Willow, que a gigante da tecnologia afirma ser capaz de realizar cálculos em cinco minutos que levariam 10 septilhões de anos aos supercomputadores mais rápidos do mundo. Para referência, o universo não tem nem 14 bilhões de anos – uma fração dessa escala de tempo.

Os computadores quânticos fazem seus cálculos de uma maneira fundamentalmente diferente dos supercomputadores clássicos. A pesquisa da equipe, publicada hoje em Naturezadescreve a supressão de erros no processador Willow e o desempenho superlativo do sistema, que a equipe escreveu, “se dimensionado, poderia atender aos requisitos operacionais de algoritmos quânticos tolerantes a falhas em grande escala”.

Os dispositivos quânticos são notoriamente meticulosos; para realizarem os seus cálculos notáveis, têm de ser mantidos num estado quântico, o que geralmente significa um ambiente de laboratório com temperaturas próximas do zero absoluto. Em climas tão gelados, o sistema torna-se supercondutor, permitindo ao dispositivo realizar operações além dos limites da física clássica.

A questão pendente – ou objetivo, dependendo do seu enquadramento – é que os computadores quânticos ainda não são capazes de resolver problemas além da competência dos computadores clássicos. Esse é o verdadeiro graal da computação quântica: um dispositivo que tem aplicações comerciais práticas além do que faria sentido, ou mesmo seria possível, em computadores clássicos de última geração.

Ao contrário dos bits convencionais de informação num computador clássico, que representam um valor de “0” ou “1”, os bits quânticos (ou qubits) podem representar “0” e “1” simultaneamente. Dessa forma, o computador pode processar números mais rapidamente do que os dispositivos tradicionais. Se ocorrerem muitos erros no sistema quântico, entretanto, a operação desmorona.

Uma parte importante da importância do Willow é que quanto mais qubits o Willow usa, menos erros o sistema apresenta. Os erros podem causar o colapso das operações quânticas, mas em vez de os erros aumentarem com o tamanho do computador, eles são diminuídos.

Em um comunicado de imprensa que acompanha o anúncio, Hartmut Neven, fundador e líder do Google Quantum AI, escreveu que “testamos matrizes cada vez maiores de qubits físicos, aumentando de uma grade de qubits codificados 3×3, para uma grade de 5 ×5, para uma grade de 7×7 – e em cada vez, usando nossos mais recentes avanços na correção quântica de erros, conseguimos reduzir a taxa de erro pela metade.”

“Em outras palavras”, escreveu Neven, “alcançamos uma redução exponencial na taxa de erro”.

A redução de erros é chamada de “abaixo do limite” e é um divisor de águas na busca para construir futuros computadores quânticos com ainda menos erros. De acordo com um comunicado do Google, o sistema Willow também mostrou avanços substanciais na correção de erros em tempo real no sistema – o que significa que o computador estava mitigando erros que surgiam enquanto ele trabalhava em um problema. Além disso, as matrizes de qubit tiveram vida mais longa do que os qubits físicos individuais no sistema, indicando que a correção de erros estava melhorando a resiliência de todo o chip quântico.

O desempenho de Willow no benchmark de amostragem de circuito aleatório (RCS) levaria o supercomputador Frontier – o supercomputador clássico mais rápido do mundo até o mês passado – a 10 septilhões de anos, muito mais do que a vida útil do universo. Para colocar esse progresso em escala: em 2019, o computador quântico Sycamore do Google levou 200 segundos para resolver um problema que um supercomputador levaria cerca de 10.000 anos para resolver, um marco que permitiu ao Google declarar a supremacia quântica.

Em julho, a empresa de computação quântica Quantinuum anunciou um sistema de 56 qubits que superou o processador Sycamore em um dos benchmarks testados em 2019, chamado benchmark de entropia cruzada linear. Agora, o Google traçou uma nova linha na areia. A equipe usou o benchmark RCS, que testa a capacidade de um computador quântico de vencer os computadores clássicos em um cálculo. A amostragem aleatória de circuitos não tem aplicações úteis, mas é um obstáculo fundamental para os computadores quânticos, à medida que os cientistas buscam casos de uso comerciais além dos clássicos.

“Mesmo que as pessoas na rua principal não se importem, ainda assim pode ser muito interessante”, disse John Preskill, diretor do Instituto de Informação e Matéria Quântica da Caltech, num vídeo do Google que acompanha a notícia. “Acho que o hardware quântico atingiu um estágio em que pode avançar a ciência. Podemos estudar sistemas quânticos muito complexos num regime ao qual nunca tivemos acesso antes.”

“Os algoritmos quânticos têm leis fundamentais de escala a seu favor, como estamos vendo com o RCS”, disse Neven. “Existem vantagens de escalabilidade semelhantes para muitas tarefas computacionais fundamentais que são essenciais para a IA. Portanto, a computação quântica será indispensável para coletar dados de treinamento que são inacessíveis às máquinas clássicas, treinar e otimizar certas arquiteturas de aprendizagem e modelar sistemas onde os efeitos quânticos são importantes.”

A equipe do Google está agora se aproximando do terceiro marco em seu roteiro quântico de seis etapas em direção a um computador quântico com correção de erros. Neven acredita que as aplicações comerciais podem demorar de três a cinco anos, em vez de várias décadas. Tal como acontece com o valor real de um qubit, é impossível dizer com certeza – mas o resultado do Willow mostra que um progresso real está sendo feito.