Dispositivos quânticos de última geração ainda não são grandes o suficiente para serem chamados de computadores em escala real. Os maiores compreendem apenas algumas dezenas de qubits - uma contagem insuficiente em comparação com os bilhões de bits na memória de um computador comum. Mas o progresso constante significa que essas máquinas agora rotineiramente encadernam 10 ou 20 qubits e podem em breve ter mais de 100 ou mais.

Enquanto isso, os pesquisadores estão ocupados imaginando usos para pequenos computadores quânticos e mapeando o panorama de problemas que eles poderão resolver. Um artigo de pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) e do Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), publicado recentemente em Cartas de revisão física , argumenta que uma nova perspectiva não quântica pode ajudar a esboçar os limites desta paisagem e, potencialmente, até revelar nova física em experimentos futuros.

A nova perspectiva envolve uma ferramenta matemática - uma medida padrão de dificuldade computacional conhecida como complexidade de amostragem - que mede o quão fácil ou difícil é para um computador comum simular o resultado de um experimento quântico. Como as previsões da física quântica são probabilísticas, um único experimento nunca poderia verificar se essas previsões são precisas. Você precisaria realizar muitos experimentos, assim como você precisaria jogar uma moeda várias vezes para se convencer de que está segurando uma moeda todos os dias, níquel imparcial.

Se um computador comum leva um tempo razoável para simular uma execução de um experimento quântico - produzindo amostras com aproximadamente as mesmas probabilidades do real - a complexidade da amostragem é baixa; se demorar muito, a complexidade da amostragem é alta.

Poucos esperam que os computadores quânticos com muitos qubits tenham uma complexidade de amostragem baixa - afinal, espera-se que os computadores quânticos sejam mais poderosos do que os computadores comuns, portanto, simulá-los em seu laptop deve ser difícil. Mas enquanto o poder dos computadores quânticos permanece não comprovado, explorar o cruzamento de baixa complexidade para alta complexidade pode oferecer novos insights sobre as capacidades dos primeiros dispositivos quânticos, diz Alexey Gorshkov, um JQI e QuICS Fellow que é co-autor do novo artigo.

"A complexidade da amostragem permaneceu uma ferramenta subestimada, "Gorshkov diz, em grande parte porque pequenos dispositivos quânticos só recentemente se tornaram confiáveis. "Esses dispositivos agora estão essencialmente fazendo amostragem quântica, e simular isso é o cerne de todo o nosso campo. "

Para demonstrar a utilidade desta abordagem, Gorshkov e vários colaboradores provaram que a complexidade da amostragem rastreia a transição fácil para difícil de uma tarefa que se espera que os computadores quânticos de pequeno e médio porte realizem mais rápido do que os computadores comuns:amostragem do bóson.

Os bósons são uma das duas famílias de partículas fundamentais (os outros são férmions). Em geral, dois bósons podem interagir um com o outro, mas esse não é o caso do problema de amostragem de bóson. "Mesmo que eles não estejam interagindo neste problema, bósons são interessantes o suficiente para fazer a amostragem de bósons valer a pena estudar, "diz Abhinav Deshpande, um estudante de pós-graduação na JQI e QuICS e o autor principal do artigo.

No problema de amostragem de bóson, um número fixo de partículas idênticas podem pular em uma grade, espalhando-se em superposições quânticas em muitos locais da grade. Resolver o problema significa amostrar a partir desta nuvem de probabilidade quântica manchada, algo que um computador quântico não teria problemas para fazer.

Deshpande, Gorshkov e seus colegas provaram que há uma transição abrupta entre o quão fácil e difícil é simular a amostragem de bósons em um computador comum. Se você começar com alguns bósons bem separados e apenas deixá-los pular brevemente, a complexidade da amostragem permanece baixa e o problema é fácil de simular. Mas se você esperar mais, um computador comum não tem chance de capturar o comportamento quântico, e o problema se torna difícil de simular.

O resultado é intuitivo, Deshpande diz, já que em tempos curtos os bósons ainda estão relativamente próximos de suas posições iniciais e não emergiu muito de sua "quanticidade". Por mais tempo, no entanto, há uma explosão de possibilidades para onde qualquer bóson pode terminar. E porque é impossível distinguir dois bósons idênticos um do outro, quanto mais você os deixa pular, é mais provável que troquem de lugar silenciosamente e complicem ainda mais as probabilidades quânticas. Desta maneira, a mudança dramática na complexidade da amostragem está relacionada a uma mudança na física:as coisas não ficam muito difíceis até que os bósons saltem longe o suficiente para trocar de lugar.

Gorshkov diz que procurar por mudanças como essa na complexidade da amostragem pode ajudar a descobrir transições físicas em outras tarefas ou experimentos quânticos. Por outro lado, a falta de aumento da complexidade pode descartar uma vantagem quântica para dispositivos que são muito sujeitos a erros. De qualquer jeito, Gorshkov diz, os resultados futuros decorrentes dessa mudança de perspectiva devem ser interessantes. "Um olhar mais profundo sobre o uso da teoria da complexidade de amostragem da ciência da computação para estudar a física quântica de muitos corpos certamente nos ensinará algo novo e empolgante sobre os dois campos, " ele diz.