Pesquisadores da Universidade de Bristol descobriram que computadores quânticos superpotentes, que cientistas e engenheiros de todo o mundo estão correndo para construir, precisam ser ainda mais poderosos do que se pensava antes de poderem derrotar os PCs comuns de hoje.

Os computadores quânticos são um novo tipo de máquina que opera em hardware de mecânica quântica e prevê-se que forneçam enormes vantagens de velocidade na resolução de certos problemas.

Grupos de pesquisa nas principais universidades e empresas, incluindo o Google, Microsoft e IBM, fazem parte de uma corrida mundial para realizar o primeiro computador quântico que cruza para a 'singularidade computacional quântica'.

Isso representa um problema tão complexo que o melhor supercomputador de hoje levaria séculos para encontrar uma solução, enquanto um computador quântico poderia quebrá-lo em minutos.

Agora, uma equipe de cientistas de Bristol descobriu que o limite dessa singularidade está mais distante do que se pensava.

A pesquisa é relatada esta semana em Física da Natureza .

Os resultados se aplicam a um algoritmo quântico altamente influente conhecido como 'amostragem de bóson', que foi concebido como uma rota muito direta para demonstrar a supremacia da computação quântica sobre as máquinas clássicas.

O problema de amostragem de bóson é projetado para ser resolvido por fótons (partículas de luz) controlados em chips ópticos - tecnologia desenvolvida pelos laboratórios de tecnologia e engenharia quântica de Bristol (QETLabs).

Prever o padrão de muitos fótons emergindo de um grande chip óptico está relacionado a um cálculo de matriz aleatório extremamente difícil.

Com o rápido progresso nas tecnologias quânticas, parecia que um experimento de amostragem de bóson que cruzou a singularidade computacional quântica estava ao nosso alcance. Contudo, a equipe de Bristol foi capaz de redesenhar um algoritmo clássico antigo para simular a amostragem de bóson, com consequências dramáticas.

Dr. Anthony Laing, que lidera um grupo no QETLabs e liderou esta pesquisa, disse:"É como ajustar um velho avião a hélice para ir mais rápido do que um antigo avião a jato.

"Estamos em um momento da história em que ainda é possível que os algoritmos clássicos superem os algoritmos quânticos que esperamos que sejam supersônicos.

"Mas demonstrar tal façanha significava reunir uma excelente equipe de cientistas, matemáticos, e programadores. "

O especialista em algoritmos clássicos, Dr. Raphaël Clifford, do Departamento de Ciência da Computação de Bristol, reprojetou vários algoritmos clássicos para atacar o problema de amostragem de bóson, com o algoritmo Metropolised Independence Sampling de 1950, que oferece o melhor desempenho.

O código de simulação foi otimizado pelo pesquisador do QETLabs 'EJ', um ex-programador da LucasArts. A experiência em complexidade computacional veio do Dr. Ashley Montanaro, da Escola de Matemática de Bristol, enquanto os alunos do QETLabs, Chris Sparrow e Patrick Birchall, trabalharam no desempenho projetado da tecnologia fotônica quântica concorrente.

No centro do projeto e reunindo todas essas vertentes estava o aluno de PhD do QETLabs e o primeiro autor do artigo, Alex Neville, quem testou, implementado, comparado, e analisado, todos os algoritmos.

Ele disse:"O maior experimento de amostragem de bóson relatado até agora é para cinco fótons.

"Acreditava-se que 30 ou até 20 fótons seriam suficientes para demonstrar a supremacia computacional quântica."

No entanto, ele foi capaz de simular a amostragem de bósons para 20 fótons em seu próprio laptop, e aumentou o tamanho da simulação para 30 fótons usando servidores departamentais.

Alex acrescentou:"Com acesso ao supercomputador mais poderoso de hoje, poderíamos simular a amostragem de bósons com 50 fótons. "

A pesquisa se baseia na reputação de Bristol como um centro de atividades para a ciência quântica e o desenvolvimento de tecnologias quânticas.

Por meio do QETLabs, a universidade embarcou em um programa ambicioso para retirar tecnologias quânticas do laboratório e transformá-las em dispositivos úteis que tenham aplicações do mundo real para lidar com alguns dos problemas mais difíceis da sociedade.

Além de colaborar com empresas de tecnologia como a Microsoft, Google, e Nokia, start-ups e novas atividades de negócios focadas em tecnologias quânticas surgiram em Bristol.

Um tema importante em toda a atividade de pesquisa quântica é desenvolver nossa compreensão de como as tecnologias quânticas podem comprovadamente superar os computadores convencionais.

Recentemente, Dr. Montanaro, junto com o professor Noah Linden da Escola de Matemática, organizou um Grupo de Pesquisa Focada em Heilbronn no tópico da supremacia computacional quântica.

Esta reunião trouxe alguns dos líderes mundiais no campo, da indústria e da academia, a Bristol para uma semana de intensas discussões e colaboração. Entre os participantes estava um dos teóricos que idealizou a amostragem de bósons, Professor Scott Aaronson, da UT Austin.

Embora superar os computadores clássicos possa demorar um pouco mais do que o inicialmente esperado, O Dr. Laing ainda está otimista sobre as perspectivas de construir um dispositivo para fazer exatamente isso.

Ele disse:"Agora temos uma ideia sólida do desafio tecnológico que devemos enfrentar para demonstrar que as máquinas quânticas podem superar suas contrapartes clássicas. Para amostragem de bósons, a singularidade está um pouco além de 50 fótons. É uma noz mais difícil de quebrar do que pensávamos, mas ainda gostamos de nossas chances. "

Com o grupo do Dr. Laing focado em aplicações práticas de tecnologias quânticas, o trabalho atual limita o tamanho e a sofisticação dos dispositivos fotônicos que serão necessários para resolver problemas industrialmente relevantes que estão além das capacidades dos algoritmos clássicos de hoje.