Decisão dividida no primeiro confronto quântico de computadores

As armadilhas de íons podem criar um computador quântico confiável.

S. Debnath e E. Edwards / JQI

Decisão dividida no primeiro confronto quântico de computadores

Por Gabriel Popkin 21, 2017, 03:00

Em um novo estudo, dois computadores quânticos criados a partir de tecnologias dramaticamente diferentes competiram frente a frente em um exercício de processamento de algoritmos. Um computador era mais confiável e o outro, mais rápido. Mas o mais importante, dizem alguns cientistas, é que, pela primeira vez, dois computadores quânticos diferentes foram comparados e testados no mesmo campo de jogo.

"Por muito tempo, os dispositivos eram tão imaturos que você não podia colocar dois aparelhos de cinco qubit um ao lado do outro e fazer esse tipo de comparação", diz Simon Benjamin, físico da Universidade de Oxford, no Reino Unido., que não estava envolvido no estudo. "É um sinal de que essa tecnologia está amadurecendo".

Um dos computadores é construído em torno de cinco íons de itérbio, mantidos em uma armadilha eletromagnética e manipulados por lasers. Pertence a um laboratório liderado por Chris Monroe, físico da Universidade de Maryland em College Park, e co-fundador da startup ionQ. O outro computador pertence à IBM. No centro, existem cinco pequenos loops de metal supercondutor que podem ser manipulados por sinais de microondas. É também o único computador quântico do mundo que pode ser programado on-line pelos usuários, e não exclusivamente pelos cientistas do laboratório - fato que permitiu à equipe de Monroe projetar o experimento.

Nenhum dos dispositivos tem muito poder de computação, mas eles demonstram o princípio que muitos pensam que acabará tornando os computadores quânticos uma tecnologia importante. Diferentemente dos bits dos computadores convencionais, que podem estar em apenas 0 ou 1, os computadores quânticos dependem de bits quânticos, ou qubits, que podem ser provocados por combinações ou "superposições" de 0 e 1. No computador de Monroe, cada qubit é um íon no qual um elétron pode ser colocado em um nível de energia para significar 0, outro para significar 1 ou em ambos os níveis ao mesmo tempo. Em cada um dos circuitos supercondutores da IBM, a corrente elétrica pode circular com uma de duas forças diferentes ou em ambos os níveis simultaneamente. Também é possível juntar os estados de superposição de muitos qubits. Isso dá a um computador quântico um potencial poder de cálculo que cresce exponencialmente a cada bit adicionado.

Mas os estados dos qubits também são frágeis: pequenas perturbações do mundo exterior podem facilmente reduzir as superposições para apenas 0 ou 1. Portanto, os computadores devem manter cuidadosamente os estados de superposição à medida que a computação avança. No teste, os dois computadores tinham "fidelidades de porta" de dois qubit ou probabilidades de concluir com êxito uma única operação lógica de dois qubit, de cerca de 97% - consideravelmente abaixo do que será necessário para qualquer operação no mundo real.

O chip de cinco qubit da IBM feito de loops supercondutores era mais rápido, mas menos confiável do que um computador quântico feito de íons.

Pesquisa IBM / flickr

Para testar seu desempenho, a equipe de Monroe executou um conjunto de algoritmos padrão em cada dispositivo e comparou a saída. O computador de íons obteve a resposta certa com mais frequência em cada caso. Para um exercício em particular, o contraste foi especialmente dramático: o computador de íons alcançou uma taxa de sucesso de 77, 1%, enquanto o computador supercondutor conseguiu apenas 35, 1% do tempo. Os cientistas publicaram seus resultados na semana passada no arXiv.

A diferença de desempenho não surge dos qubits em si, mas de como eles são conectados, diz Monroe. Cada um de seus íons pode interagir com todos os outros íons, reduzindo o número de operações necessárias para muitas tarefas e as chances de uma superposição entrar em colapso. No computador IBM, por outro lado, quatro dos loops supercondutores estavam conectados apenas a um central, geralmente necessitando de operações adicionais para trocar informações entre os loops. Como nenhuma operação é 100% confiável, a taxa de sucesso geral diminui à medida que o número de operações aumenta. `` A conectividade é importante '', diz Monroe.

Jerry Chow, físico que lidera a equipe de computação quântica da IBM no laboratório da empresa em Yorktown Heights, Nova York, reconhece que a conectividade é importante. Mas, em última análise, ele espera que os estados de superposição de qubit durem mais e sejam mais coerentes, o que significaria que a conectividade mais baixa de seu computador não necessariamente reduziria sua confiabilidade geral no longo prazo. Se você tem coerência suficiente, não importa quanto tempo toda a operação do seu algoritmo possa levar. Ele também observa que o computador on-line da IBM agora possui mais conexões de qubit do que quando A equipe de Monroe executou seu teste, o que provavelmente o aproximaria do desempenho do computador de íons. E os dois laboratórios já estão trabalhando em dispositivos de próxima geração mais confiáveis, com mais qubits.

De fato, o estudo compara a forma embrionária das duas abordagens da computação quântica, diz Benjamin. Um dispositivo prático feito de íons ou loops supercondutores precisará de milhares de qubits, e a rede de interconexões entre eles se tornará muito mais complexa. Ele também observa que, enquanto o computador de íons é mais confiável no momento, o computador supercondutor é mais rápido. O dispositivo IBM® conclui uma operação de dois qubit em 250 a 450 nanossegundos, até 1000 vezes mais rápido que o computador de íon.

O estudo também fornece sugestões para designers quânticos de software, como Krysta Svore, pesquisadora da Microsoft em Redmond, Washington. Entender como as arquiteturas específicas de computadores quânticos afetam o desempenho será fundamental para otimizar algoritmos futuros, diz ela. É um grande passo para iniciar essa conversa.