Apesar da promessa de mudar o mundo, computadores quânticos ainda estão longe de ser uma realidade devido a complexidade no funcionamento desses equipamentos. Nesta quarta, 22, o Google anunciou um novo avanço para a construção de uma máquina quântica funcional, capaz de resolver problemas industriais e científicos.
Publicada na revista Nature, uma das mais importante publicações de ciência, a pesquisa avança sobre técnicas de redução de erros em computadores quânticos. “Daqui muitos anos, os cientistas serão capazes de usar computadores quânticos livre de erros para aplicações em larga escala. Eles serão muito maiores do que os atuais, compostos por milhões de qubits. Mas tem um porém: essas unidades básicas precisam ser boas o suficiente, do contrário o sistema será sobrecarregado por erros”, explicou no blog da companhia Hartmut Neven, líder em computação quântica do Google.
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Na computação clássica, usada por PCs e smartphones atuais, toda e qualquer informação é armazenada ou processada na forma de bits – que podem ser representados por 0 ou 1. Mas, na quântica, os chamados qubits, ou bits quânticos, podem assumir inúmeros estados entre 0 e 1, num fenômeno chamado superposição. Isso aumenta exponencialmente a quantidade de informação que pode ser processada ao mesmo tempo. Enquanto um par de bits tradicionais expressa um tipo de informação de cada vez, dois bits quânticos podem expressar (ou seja, ter) quatro estados ao mesmo tempo. Estima-se que 300 qubits expressem um número de estados maior do que o número de átomos do universo.
Porém, os qubits são bastante instáveis e permanecem no estado de superposição por pouquíssimo tempo, o que inviabiliza os cálculos necessários na solução de grandes problemas. Os processadores quânticos atuais apresentam taxas de erro entre 1 em 100 e 1 em 10 mil. O Google estima que para ter uma máquina funcional as taxas de erro precisam ser entre 1 em 1 milhão e 1 em 1 bilhão.
Assim, uma das soluções investigadas por cientistas é juntar muitos qubits em uma única unidade de processamento para que os erros sejam espalhados e “dissolvidos” no sistema, permitindo a retenção dos cálculos necessários para a solução dos problemas. A nova unidade de processamento composta por diversos qubits físicos é chamado de qubit lógico.
Até aqui, a construção de qubits lógicos também enfrentava um desafio técnico. Conforme os pesquisadores aumentavam o número de qubits físicos, o número de erros no sistema também crescia. Portanto, era necessário reduzir o número de erros conforme o sistema cresce. Essa é a descoberta anunciada pelo Google, que conseguiu desenvolver um código, chamado de código de superfície, capaz de diminuir os erros durante o crescimento das unidades de um qubit lógico.
A empresa afirma que foi capaz de aumentar o qubit lógico de 17 para 49 qubits físicos ao mesmo tempo que reduziu a taxa de erros em 4% - o resultado foi atingido após o Google aumentar o tamanho do código de superfície. A taxa de correção parece baixa, mas Neven afirma que isso indica um caminho para a construção de máquinas mais robustas. “Com o cuidado necessário, podemos produzir os qubits lógicos necessários para um computador quântico com correção de erros em alta escala”, afirmou o pesquisador.
Em 2021, o Google revelou que pretende construir até o final da década de 20 um computador quântico funcional de larga escala. No atual cronograma da companhia, existem seis estágios que precisam ser cumpridos até o objetivo ser atingido. A descoberta significa a finalização do segundo estágio, no qual a taxa de erro é 1 e 100. Segundo o cronograma, o próximo estágio prevê a construção de um qubit lógico ainda maior, com taxa de erro de 1 em 1 mil. A data prevista para a finalização é a partir de 2025.
“Com melhorias até o próximo estágio, prevemos a entrada em um regime tolerante a falhas, no qual podemos suprimir exponencialmente erros lógicos e destravar o primeiros aplicativos quânticos com correções úteis de erros, escreveu Neven.
Supremacia quântica
O primeiro estágio do cronograma foi atingido em 2019, quando a companhia revelou ter atingido supremacia quântica. Ou seja: conseguiu que um de seus computadores quânticos realizasse uma operação matemática impossível de ser feita, em tempo razoável, por uma máquina clássica, que opera no sistema binário. A máquina do Google foi capaz de solucionar, em três minutos e 20 segundos, uma operação matemática que demoraria 10 mil anos para ser solucionada em uma máquina tradicional.
Na época, a IBM contestou os resultados do Google. A companhia disse ter chegado a um modelo que solucionaria em dois dias e meio o problema em seu computador clássico Summit. A crítica principal é a de que o modelo usado pelo Google para estimar o cálculo de 10 mil anos para a solução do problema numa máquina clássica é exagerado. A IBM também vem desenvolvendo seus chips quânticos, como o Edge, apresentado no final de 2021 com 127 qubits.