Vantagem dos computadores quânticos está mais distante do que se pensava

Vantagem quântica fica mais distante

A computação quântica tem sido apresentada como “imensamente superior” à computação clássica, mas a entrada em operação dos primeiros computadores desse tipo mostrou que a tão esperada supremacia quântica é mais elusiva do que se acreditava: Não apenas todas as alegações dessa vantagem vêm sendo questionadas uma a uma, como a própria computação clássica tem avançado, colocando em xeque a tão esperada supremacia.

E todas essas surpresas e expectativas frustradas parecem ter uma explicação bem simples: Ainda não entendemos bem a computação quântica, e essa “incompreensão” vai dos seus fundamentos mais básicos às suas aplicações práticas mais plausíveis.

Um grupo de físicos de vários países acaba de publicar um novo estudo que equaciona os vários desconhecimentos da área, destacando vários pontos envolvendo a computação e a supremacia quânticas:

Apenas alguns estados quânticos precisos são verdadeiramente úteis para a computação quântica.
Isto torna mais difícil construir computadores quânticos verdadeiramente poderosos do que se supunha até agora.
O conjunto de cálculos quânticos viáveis para os computadores clássicos é maior do que se supunha, o que significa que os computadores quânticos precisarão saltar um obstáculo mais alto para demonstrar uma vantagem.

Estados mágicos

No cerne da computação quântica está algo que os próprios físicos chamam de “mágica”. Os bits dos computadores quânticos, ou qubits, normalmente são partículas – como átomos, elétrons ou fótons – que podem existir em dois estados simultaneamente, um fenômeno conhecido como superposição quântica.

Para executar algoritmos que superam qualquer computador clássico, esses qubits devem ser preparados em configurações iniciais especiais conhecidas como estados mágicos. Esses estados são como o combustível computacional: Sem eles, um computador quântico não é melhor do que uma máquina convencional.

Mas a nova pesquisa demonstra que nem todos os estados mágicos são iguais ou igualmente úteis. Muitos estados que parecem mágicos e que antes eram considerados úteis, na verdade não oferecem nenhuma vantagem quântica, podendo ser simulados por computadores eletrônicos clássicos. Ao identificar essa classe de “estados mágicos inúteis”, o estudo redefine a fronteira entre os cálculos que precisam de um computador quântico e aqueles que ainda podem ser realizados classicamente.

“Estamos mostrando que a mágica é necessária, mas não suficiente para liberar todo o potencial dos computadores quânticos,” disse o professor David Arvidsson-Shukur, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. “Se um estado quântico não for mágico, você não pode obter uma vantagem quântica. Mas ter magia por si só também não garante que você a tenha. O cenário é mais complexo e muito mais interessante do que isso.”

Probabilidades negativas

Para identificar quais estados quânticos possuem o que a equipe classifica como “mágica útil” e quais possuem o tipo “inútil”, os pesquisadores recorreram a uma estrutura matemática desenvolvida em 1945 por Paul Dirac, o físico por trás da demonstração da existência da antimatéria. Dirac estabeleceu uma distribuição semelhante à introduzida uma década antes por John Kirkwood, e expandiu a ideia construindo uma estrutura matemática para utilizá-la – essa estrutura passou a ser conhecida como distribuição de Kirkwood-Dirac.

A estrutura envolve um conceito que soa paradoxal: Probabilidades negativas, que a equipe usou para enquadrar a tarefa da computação quântica. E, assim como Dirac argumentou que uma solução negativa para uma equação deveria ser levada a sério (a antimatéria nasceu assim), a equipe demonstrou agora que o aparecimento de valores negativos na distribuição de Kirkwood-Dirac é um sinal significativo.

Quando essa distribuição permanece inteiramente positiva (ou zero) durante toda a computação para um determinado estado quântico de entrada, um computador clássico pode simular a computação quântica com facilidade. Quando assume valores negativos, a simulação clássica torna-se exponencialmente mais difícil, e aí então pode existir uma vantagem quântica autêntica.

“A ideia se baseia em probabilidades – por exemplo, a probabilidade de se obter cara ao lançar uma moeda – mas com uma reviravolta: Elas podem ser negativas. E essas ‘probabilidades’ negativas são necessárias para que o computador quântico supere seu equivalente clássico. Essa distribuição fornece uma estrutura mais rigorosa e precisa para mapear quais estados quânticos podem ser simulados eficientemente por computadores clássicos,” resumiu o pesquisador Jonathan Thio.

Fronteira clássica-quântica mais larga

Para demonstrar sua teoria, a equipe repetiu de outro modo o feito recente de uma outra equipe, criando um programa de simulação quântica que roda em um notebook comum, que se mostrou capaz de realizar cálculos que antes se acreditava exigirem um computador quântico de pleno direito. Isto representa uma demonstração direta de que a fronteira entre a computação clássica e a computação quântica é maior do que se pensava.

São descobertas que impactam diretamente os bilhões que estão sendo investidos na computação quântica por governos e empresas privadas em todo o mundo, revelando que ainda há uma incerteza científica genuína sobre quando os computadores quânticos superarão as máquinas clássicas em tarefas de valor prático.

Ao expandir os limites daquilo que os computadores clássicos conseguem fazer, este novo trabalho estabelece um limiar mais claro e rigoroso para o que constituiria uma verdadeira vantagem quântica. “Sem esse tipo de trabalho fundamental, nunca saberemos se um dispositivo quântico alcançou algo verdadeiramente além do alcance clássico,” disse Arvidsson-Shukur.