À medida que novos dispositivos aproximam a computação quântica do uso prático, o jornal Natureza Recentemente, pediu à cientista da computação de Princeton Margaret Martonosi e dois colegas para avaliar o estado do software necessário para explorar esta poderosa abordagem computacional.

Contando com efeitos mecânicos quânticos sutis para armazenamento e computação de dados, os computadores quânticos prometem acelerar muito certos tipos de cálculos. Martonosi, o professor de ciência da computação Hugh Trumbull Adams '35, explicou em uma entrevista que, embora os computadores quânticos sejam fundamentalmente diferentes dos clássicos, ambos requerem uma cadeia eficiente de software para operar. Seus co-autores na Nature são os professores de ciência da computação Frederic Chong e Diana Franklin, da Universidade de Chicago.

O que é computação quântica, e como é diferente da computação padrão - ou clássica?

Na computação clássica, construímos computadores por muitos anos que dependem de valores binários para o que chamamos de estado, ou os dados de armazenamento, na máquina. Portanto, o valor pode ser 0 ou 1. E desenvolvemos a capacidade de fazer operações aritméticas ou lógicas com base nos valores 0 ou 1. Em computadores quânticos, em vez desses bits clássicos de 0 ou 1, temos o que chamamos de bits quânticos ou qubits. Você pode pensar em um qubit como uma distribuição probabilística de muitos valores possíveis. Portanto, não é 0 ou 1, mas alguma "superposição" de diferentes estados. Ser capaz de manipular esses estados complexos, pode-se fazer cálculos únicos que vão além da simples adição ou operações lógicas de um computador clássico.

A computação quântica permite fazer cálculos consideravelmente mais poderosos, conceitualmente, pelo menos, com relativamente menos qubits do que os bits de estado exigidos por uma alternativa clássica. Existem alguns algoritmos quânticos que mostram a oportunidade para uma aceleração considerável, às vezes até a aceleração exponencial, sobre a abordagem clássica. Por exemplo, existem alguns problemas de grande escala que levariam dezenas ou centenas de anos para serem computados em uma máquina clássica - tornando-os essencialmente intratáveis ​​- mas se o hardware quântico adequado existisse, o algoritmo quântico correspondente poderia permitir que essas tarefas fossem resolvidas em horas em vez de décadas. É o fato de podermos fazer coisas potencialmente exponencialmente mais rápidas em um computador quântico que levou o mundo a ficar muito intrigado com as possibilidades.

Portanto, um computador quântico não é apenas uma versão mais rápida de um computador padrão?

É usar características físicas profundamente diferentes para fazer os cálculos. E isso permite que seja mais rápido, potencialmente, em alguns cálculos, embora ainda dependa do sequenciamento clássico das operações e do controle clássico das operações. Então, uma das grandes áreas de ênfase nos últimos 10 anos foi passar dos algoritmos quânticos que mostram uma aceleração teoricamente exponencial para ver como esses algoritmos realmente serão mapeados para o hardware quântico real, e que tipo de aceleração será possível quando começarmos a construir o hardware quântico real.

Seu artigo em Natureza diz que a computação quântica atingiu um estágio crítico, que você chama de 'ponto de inflexão'. Porque agora?

É uma série de coisas. Por muitos anos, tivemos algoritmos quânticos que teoricamente esboçaram como eles poderiam usar a superposição quântica e emaranhamento (a capacidade dos estados quânticos de interagir uns com os outros), mas não tinha nenhum hardware para mapear. Enquanto isso, havia físicos que estavam construindo tecnologias qubit individuais, mas construir tão poucos qubits - um de cada vez, ou dois de cada vez - que você não conseguia realmente ter uma noção de como realmente computar com eles.

O que está acontecendo agora é que o número de qubits que podem ser construídos em breve será previsivelmente grande o suficiente para que seja necessário pensar de forma prática sobre como construir sistemas para computar com eles. Então, onde antes era normal simplesmente construir qubits individuais e testar suas características de uma maneira única, agora as pessoas estão começando a pensar sobre como construir sistemas de computador reais a partir deles, incluindo a compreensão de como o armazenamento funcionará, como a comunicação funcionará.

Então, quando falamos sobre a construção de compiladores quânticos (software que executa instruções de programas no hardware) ou fluxos de ferramentas quânticas (software que otimiza aplicativos), fazemos isso por alguns motivos. Uma razão é que, quando computadores quânticos de tamanhos cada vez mais interessantes são construídos, queremos ser capazes de compilar para eles. Outra razão é que, mesmo antes de as máquinas serem construídas, queremos ser capazes de avaliar melhor as diferentes compensações de design. Assim, a ferramenta flui que o artigo discute, o tipo em que meus colaboradores e eu trabalhamos, são uma maneira de fazer algumas das avaliações que ajudarão a ver quais algoritmos se beneficiam de quais escolhas de tecnologia, ou quais escolhas organizacionais, à medida que os pesquisadores constroem o hardware.

O outro aspecto do ponto de inflexão é em termos de juros e financiamento. Agora estamos em um ponto em que você pode usar um computador quântico de 16 qubit na web. IBM, através de seu esforço Quantum Experience, lançou um computador quântico para qualquer pessoa usar. Google, Microsoft, A Intel e outras empresas estão se esforçando para construir computadores quânticos substancialmente maiores do que jamais foram construídos. E há uma pequena corrida em andamento para ver quem vai chegar até onde e quando. Assim, com a indústria dando atenção considerável à construção de computadores quânticos, Acho que aumentou a credibilidade de que há algo aqui, há algo em que se concentrar. E como resultado, aumentou o ritmo com que outras partes do espaço de pesquisa quântica também se moveram.

A computação quântica poderia ser tão abrangente quanto a computação clássica ou é provável que seja mais especializada?

Se você olhar para os algoritmos quânticos que foram desenvolvidos até agora, eles são relativamente focados. Existem algumas áreas onde o quantum mostra o potencial de aceleração, mas há muitas áreas em que ainda não temos algoritmos quânticos que mostram aceleração. Portanto, ninguém vê a computação quântica suplantando totalmente a clássica. Não será usado dessa forma no futuro previsível. Em vez, as pessoas vêem a computação quântica sendo útil para alguns cálculos muito focados. Você pode pensar nisso como um acelerador especializado para esses cálculos.

Por muitos anos, um catalisador chave para o interesse na computação quântica foi o fato de que muitos de nossos métodos de criptografia atuais dependem da suposição de que a fatoração de grandes números será computacionalmente difícil. E a computação quântica, particularmente algo chamado algoritmo de Shor, mostrou uma maneira de acelerar drasticamente essa contabilização. Por muitos anos, uma das principais fontes de atenção sobre o quantum era a preocupação de saber se a computação quântica - cite, unquote— "quebrar a criptografia".

O que estamos vendo agora é, em primeiro lugar, a comunidade de criptografia está desenvolvendo novos algoritmos projetados para serem resistentes ao quantum. Isso está progredindo em algum nível. Simultaneamente, estamos vendo que o algoritmo de fatoração que poderia "quebrar a criptografia" realmente requer tantos qubits que levará um tempo antes que possamos usá-lo para fatorar os grandes números que são usados ​​em nossos algoritmos de criptografia. Então, por essa razão, a fatoração não é o maior gerador de atenção algorítmica no momento dentro da própria comunidade de computação quântica.

Mas sim, existem outros algoritmos que estão chamando a atenção em termos de coisas como simulação de moléculas. A chamada química quântica é de interesse nos dias de hoje, e parece ser uma área de aplicação que poderíamos alcançar mais cedo com os tipos de máquinas que imaginamos serem capazes de construir no início da linha do tempo.

Você menciona o conceito de sistemas híbridos combinando computação clássica e quântica no artigo.

Isso é inevitável. Você não vai construir sistemas de computador quânticos que sejam exclusivamente quânticos. E as pessoas da área sabem disso, mas não foi bem retratado para o mundo exterior. Para fazer um computador quântico funcionar, e para executar um conjunto de operações quânticas, você ainda terá um sequenciador de controle clássico que passa por um conjunto de manipulações físicas. E assim você sempre terá esse controle clássico das operações quânticas.

Portanto, essa dualidade estará lá, não importa o que aconteça. E há um trabalho interessante a ser feito em termos de decidir como organizar isso, quanto controle clássico vai para onde. As operações quânticas são frequentemente feitas sob temperaturas muito baixas, perto do zero absoluto. A questão é, quanto desse controle clássico pode ser feito nessas temperaturas versus quanto deve ser feito na temperatura ambiente da maneira que estamos acostumados a fazer a computação clássica? E assim, esses tipos de tradeoffs de design permanecem quase todos sem resposta.

A computação quântica é muito empolgante, mas não há garantia de que a computação quântica terá a mesma trajetória ou o mesmo fôlego que a computação clássica teve. De muitas maneiras, tudo agora parece que a computação quântica pode ser mais limitada do que a clássica em suas aplicações. Mas ainda é útil e instrutivo tentar olhar para os diferentes ciclos de inovação e tentar ver onde você vê paralelos ou não.

A computação quântica pode ser apenas outra maneira útil de fazer computação?

A esperança é que isso acelere um pouco certas coisas. Então, por exemplo, se a química quântica se tornar a aplicação viável que parece ser, então pode-se imaginar que ser profundamente influente em coisas como a agricultura, entender como construir fertilizantes melhores, e assim por diante, e também para o desenvolvimento de medicamentos. Portanto, mesmo que esteja um pouco focado em onde tem aplicabilidade, ainda pode ser muito impactante nessas áreas.