Enquanto vários grupos de pesquisa em todo o mundo correm para construir um computador quântico escalável, permanecem questões sobre como a conquista da supremacia quântica será verificada.

Supremacia quântica é o termo que descreve a capacidade de um computador quântico de resolver uma tarefa computacional que seria proibitivamente difícil para qualquer algoritmo clássico. É considerado um marco crítico na computação quântica, mas porque a própria natureza da atividade quântica desafia a corroboração tradicional, tem havido esforços paralelos para encontrar uma maneira de provar que a supremacia quântica foi alcançada.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, acabamos de ponderar, dando a uma proposta prática conhecida como amostragem aleatória de circuitos (RCS) um selo de aprovação qualificado com o peso da evidência teórica da complexidade por trás disso. Amostragem de circuito aleatório é a técnica que o Google apresentou para provar se alcançou ou não a supremacia quântica com um chip de computador de 72 qubit chamado Bristlecone, revelado no início deste ano.

Os teóricos da computação da UC Berkeley publicaram sua prova de RCS como um método de verificação em um artigo publicado na segunda-feira, 29 de outubro no jornal Física da Natureza .

"A necessidade de fortes evidências para a supremacia quântica é subestimada, mas é importante definir isso, "disse o investigador principal do estudo, Umesh Vazirani, Roger A. Strauch Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação na UC Berkeley. "Além de ser um marco no caminho para computadores quânticos úteis, a supremacia quântica é um novo tipo de experimento de física para testar a mecânica quântica em um novo regime. A questão básica que deve ser respondida para qualquer experimento desse tipo é quão confiantes podemos ter de que o comportamento observado é verdadeiramente quântico e não poderia ter sido replicado por meios clássicos. Isso é o que nossos resultados abordam. "

Os outros investigadores neste artigo são Adam Bouland e Bill Fefferman, ambos bolsistas de pesquisa de pós-doutorado, e Chinmay Nirkhe, um Ph.D. aluna, todos no grupo de pesquisa teórica de computação de Vazirani.

O investimento em quantum está esquentando

O jornal surge em meio à atividade acelerada do governo, academia e indústria em ciência da informação quântica. O Congresso está considerando a Lei Nacional de Iniciativa Quantum, e no mês passado, o Departamento de Energia dos EUA e a National Science Foundation anunciaram quase US $ 250 milhões em doações para apoiar pesquisas em ciências e tecnologias quânticas.

Ao mesmo tempo, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e a UC Berkeley anunciaram a formação do Berkeley Quantum, uma parceria projetada para acelerar e expandir a inovação na ciência da informação quântica.

As apostas são altas à medida que a competição internacional em pesquisa quântica se aquece e a necessidade de cálculos cada vez mais complexos cresce. Com a verdadeira computação quântica, problemas que são impraticáveis ​​até mesmo para os supercomputadores mais rápidos até hoje podem ser relativamente eficientes de resolver. Seria uma virada de jogo na criptografia, simulações de interações químicas e moleculares e aprendizado de máquina.

Os computadores quânticos não são limitados pelos 0s e 1s tradicionais dos bits de um computador tradicional. Em vez de, bits quânticos, ou qubits, pode codificar 0s, 1s e qualquer superposição quântica dos dois para criar vários estados simultaneamente.

Quando o Google revelou o Bristlecone, disse que a prova empírica de sua supremacia quântica viria por meio de amostragem de circuito aleatório, uma técnica na qual o dispositivo usaria configurações aleatórias para se comportar como um circuito quântico aleatório. Para ser convincente, também precisaria haver fortes evidências de que não há algoritmo clássico em execução em um computador clássico que pudesse simular um circuito quântico aleatório, pelo menos em um período de tempo razoável.

Detectando acentos quânticos

A equipe de Vazirani se referiu a uma analogia entre a saída do circuito quântico aleatório e uma série de sílabas aleatórias em inglês:mesmo que as sílabas não formem frases ou palavras coerentes, eles ainda possuirão um "sotaque" do inglês e serão reconhecidamente diferentes do grego ou do sânscrito.

Eles mostraram que produzir uma saída aleatória com um "acento quântico" é de fato difícil para um computador clássico por meio de uma construção teórica da complexidade técnica chamada de "redução do pior para o caso médio".

A próxima etapa foi verificar se um dispositivo quântico estava realmente falando com um sotaque quântico. Isso se baseia no princípio Cachinhos Dourados - uma máquina de 50 qubit é grande o suficiente para ser poderosa, mas pequeno o suficiente para ser simulado por um supercomputador clássico. Se for possível verificar que uma máquina de 50 qubit fala com um acento quântico, então isso forneceria forte evidência de que uma máquina de 100 qubit, o que seria proibitivamente difícil de simular classicamente, faria isso, também.

Mas mesmo que um supercomputador clássico fosse programado para falar com um sotaque quântico, seria capaz de reconhecer um falante nativo? A única maneira de verificar a saída do alto-falante é por meio de um teste estatístico, disseram os pesquisadores de Berkeley. Os pesquisadores do Google estão propondo medir o grau de correspondência por uma métrica chamada "diferença de entropia cruzada". Uma pontuação de entropia cruzada de 1 seria uma combinação ideal.

O suposto dispositivo quântico pode ser considerado como se comportando como um circuito quântico ideal com ruído aleatório adicionado. Fefferman e Bouland dizem que a pontuação de entropia cruzada certificará a autenticidade do acento quântico, desde que o ruído sempre acrescente entropia à saída. Este nem sempre é o caso - por exemplo, se o processo de ruído apagar preferencialmente 0s em 1s, pode realmente reduzir a entropia.

"Se os circuitos aleatórios do Google são gerados por um processo que permite tais apagamentos, então a entropia cruzada não seria uma medida válida da supremacia quântica, "disse Bouland." É em parte por isso que será muito importante para o Google determinar como seu dispositivo se desvia de um circuito quântico real aleatório. "

Esses resultados são um eco do trabalho que Vazirani fez em 1993 com seu aluno Ethan Bernstein, abrindo a porta para algoritmos quânticos, apresentando acelerações por computadores quânticos que violam um princípio fundamental da ciência da computação chamado de tese Extended Church-Turing.

Peter Shor, da Bell Labs, levou seu trabalho um passo adiante, mostrando que um problema prático muito importante, fatoração de inteiros, poderia ser acelerado exponencialmente por um computador quântico.

"Esta sequência fornece um modelo para a corrida para construir computadores quânticos funcionais, "disse Vazirani." A supremacia quântica é uma violação experimental da tese de Extended Church-Turing. Uma vez que isso seja alcançado, o próximo desafio será projetar computadores quânticos que possam resolver problemas praticamente úteis. "