Por dentro do computador quântico do Google
Conjunto de chips quânticos do Sycamore em um teste elétrico preliminar. Foto: Google/Divulgação
Estou de frente a uma tela do tipo touchscreen gigantesca, em um laboratório parecido com uma garagem nas instalações do Google em Goleta, Califórnia, usando meu dedo para mover pequenos quadrados contendo símbolos pela tela— um X, um Y, um H e outros glifos mais misteriosos. Os quadrados representam funções que podem ser executadas em um bit quântico — chamado de qubit — que fica dentro de um grande cilindro prateado próximo. Das inúmeras funções oferecidas, algumas fazem com que o bit mude de 1 para 0 (ou de 0 para 1); outra o faz girar em torno de um eixo.
Outro quadrado na tela revela o estado do qubit, representado pelo que parece um pirulito se movendo dentro de uma esfera, com o bastão ancorado no centro. À medida que se move, os números ao lado oscilam entre 1,0000 e 0,0000. Essa é uma das vantagens dos qubits: eles não precisam ser exclusivamente 1 ou 0 como os bits binários, mas podem ocupar estados intermediários. Essa qualidade de “sobreposição” permite que cada qubit execute mais de um cálculo por vez, acelerando os resultados quase que milagrosamente. Embora a leitura final de um qubit seja 1 ou 0, a existência de todas essas etapas intermediárias significa que pode ser mais difícil ou até impossível para um computador clássico fazer o mesmo cálculo.
Para os leigos, esse processo pode parecer um pouco mágico — um aceno de mãos, um toque na tela e, voilà: um coelho é puxado do chapéu quântico. O Google me convidou para vir aqui, junto com um grupo seleto de outros jornalistas, para abrir a cortina desse espectáculo e provar que não é nada mágico.
Na metade direita da tela, linhas onduladas exibem formas de onda que correspondem às funções executadas nos qubits. Ao lado dessa seção, há uma caixa do tamanho de uma impressora, que envia essas formas de onda como pulsos elétricos através de fios entram no cilindro de prata. Se o cilindro estivesse aberto, veríamos um conjunto de seis câmaras, dispostas em camadas, como um bolo de casamento de cabeça para baixo. Cada câmara é resfriada a uma temperatura significativamente mais fria que a de cima; a camada mais inferior tem congelantes 15 milikelvins — quase 200 vezes mais fria que as profundezas do espaço sideral. Os fios que passam pelas etapas sucessivas levam sinais de controle do mundo exterior quente e transmitem os resultados das câmara.
Essa câmara está no vácuo, protegida da luz e do calor que atrapalhariam os delicados qubits, que ficam em um chip no final de todos os fios, isolados no escuro e no frio. Cada qubit tem cerca de 0,2 milímetro de diâmetro, grandes o suficiente para serem visíveis através de um microscópio comum. Resfriados e escondidos de influências externas, cada um deles se torna um supercondutor que permite que os elétrons fluam livremente, agindo como se fosse um único átomo, de modo que as leis da mecânica quântica se expandam para ditar seu comportamento.
Pulsos suaves de microondas fazem com os qubits vibrarem. E quando dois qubits vizinhos atingem a mesma frequência ressonante, eles se emaranham — outra propriedade da mecânica quântica, o que significa que medir o estado de um indica também o estado do outro. Pulsos eletromagnéticos em uma frequência diferente causam a inversão do bit. O computador quântico é como uma caixa contendo vários pêndulos, diz Craig Gidney, engenheiro de software quântico do Google. Ao enviar sinais para dentro da câmara, eu e outras pessoas do lado de fora estamos puxando as cordas dos pêndulos, mudando suas oscilações para realizar diferentes operações lógicas.
Tudo isso, diz a equipe quântica do Google, permitiu alcançar a chamada “supremacia quântica”: ponto em que um computador quântico é capaz de fazer algo que um computador clássico comum não consegue. Em um artigo publicado esta semana na revista Nature — mas que havia vazado por acidente um mês antes em um site da Nasa — os engenheiros do Google descrevem o experimento de referência que eles usaram para demonstrar a supremacia. Seu programa, executado em mais de 50 qubits, examina os resultados de um gerador quântico de números aleatórios.
Alguns críticos se queixaram de que este é um problema artificial com pouca aplicação no mundo real, segundo Hartmut Neven, gerente do Laboratório de Inteligência Artificial Quântica do Google. “O Sputnik também não fazia muita coisa”, disse Neven durante uma conferência de imprensa nas instalações de Goleta. “Ele circulou a Terra. No entanto, foi ali o início da era espacial.”
David Awschalom, físico da área de matéria condensada especializado em engenharia de informação quântica na Universidade de Chicago, que não participou da pesquisa, concorda que o programa resolveu um problema muito particular, e acrescenta que o Google não pode afirmar que possui um computador quântico universal. Tal conquista exigiria talvez um milhão de qubits, diz, e está muito longe de acontecer. Mas ele acredita que a equipe da empresa alcançou um marco importante que oferece a outros cientistas resultados reais para serem desenvolvidos. “Estou muito empolgado”, diz Awschalom. “Esse tipo de resultado oferece um conjunto de dados muito significativo.”
O chip de computação quântica do Google, apelidado de Sycamore, alcançou seus resultados usando exatamente 53 qubits. Um 54º qubit no chip falhou. O objetivo do Sycamore era produzir aleatoriamente sequências formadas por dígitos de 1 ou 0, sendo um dígito para cada qubit, gerando sequências de 253 bits (com um total de 9,700199254740992 quadrilhões de possíveis sequências). Devido à maneira como os qubits interagem entre si, é mais provável que algumas sequências surjam do que outras. O Sycamore executou o gerador de números um milhão de vezes e, em seguida, analisou os resultados para obter a probabilidade de uma determinada sequência aparecer.
A equipe do Google também executou uma versão mais simples do teste no Summit, o supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, e depois extrapolou esses resultados para comparar com o resultado do Sycamore. O novo chip quântico executou a tarefa em 200 segundos. A mesma tarefa, estimaram os pesquisadores, levaria 10.000 anos para ser feita no Summit.
No entanto, um grupo de pesquisadores da IBM, que também está trabalhando para desenvolver a computação quântica, publicou uma versão prévia de um artigo no arXiv.org no início desta semana, argumentando que, em condições ideais e usando armazenamento de memória extra, o Summit poderia realizar a mesma tarefa em dois dias e meio. “Como o significado original do termo ‘supremacia quântica’, conforme proposto pelo [físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia] John Preskill em 2012, era descrever o ponto em que os computadores quânticos podem fazer coisas que os computadores clássicos não podem, esse ponto ainda não foi atingido”, escreveram os cientistas em um post no Blog de Pesquisa da IBM. Talvez, então, a conquista do Google possa ser melhor rotulada como uma “vantagem quântica”.
Mas Scott Aaronson, teórico da ciência da computação na Universidade do Texas em Austin, que às vezes colabora com os pesquisadores do Google, diz que não é totalmente correto dizer que a supremacia quântica não foi alcançada — mesmo que não seja um resultado tão sólido como pisar na Lua, por exemplo. Afinal, o Sycamore ainda foi muito mais rápido do que a Summit. E, à medida que o número de qubits na configuração do Google aumenta, seu poder de computação aumenta exponencialmente. Passar de 53 para 60 qubits daria ao computador quântico o equivalente de 33 supercomputadores Summit. Com 70 qubits, um supercomputador clássico como o Summit teria que ser do tamanho de uma cidade para possuir o mesmo poder de processamento.
Aaronson também suspeita que a conquista do Google já pode ter algum valor prático não intencional. O sistema poderia ser usado para produzir números certamente aleatórios, com as garantias das leis da física quântica. Esse aplicativo pode, por exemplo, produzir senhas muito mais fortes do que os humanos ou os computadores clássicos são capazes de criar.
“Não sei ao certo se é a ‘supremacia’ ou não”, diz Awschalom. A comunidade da computação quântica ainda não chegou a um acordo sobre as melhores maneiras de comparar diferentes computadores quânticos, diz ele, especialmente aqueles criados com diferentes tecnologias. Enquanto a IBM e o Google estão usando supercondutores para criar seus qubits, outra abordagem se baseia em íons aprisionados — átomos carregados suspensos no vácuo e manipulados por raios laser. A IBM propôs uma métrica chamada “volume quântico”, que inclui fatores como a rapidez com que os qubits realizam seus cálculos e o quão bem eles evitam ou corrigem erros.
A correção de erros é, de fato, o que os cientistas da computação quântica precisam dominar para criar dispositivos realmente úteis — aqueles que contêm milhares de qubits. Nesse momento, dizem os pesquisadores, as máquinas poderiam executar simulações detalhadas de reações químicas que poderiam levar a novos medicamentos ou melhores células solares. E eles também podem decifrar rapidamente os códigos criptográficos mais usados para proteger os dados na Internet.
Para atingir esse tipo de desempenho, no entanto, um computador quântico deve se auto-corrigir, encontrando e reparando falhas em suas operações. Erros podem surgir quando um qubit muda espontaneamente de 1 a 0 ou quando sua sobreposição quântica decai por causa de interferências do mundo exterior. Atualmente, os qubits do Google duram cerca de 10 microssegundos antes de decair. “Eles têm uma vida útil finita”, diz Marissa Giustina, uma das pesquisadoras do projeto. “São muito frágeis. Basta eles interagirem com o ambiente para perdemos a informação quântica. ”
Computadores clássicos enfrentam a correção de erros com redundância, decidindo se um bit digital está ativado ou desativado, medindo não um único elétron em um capacitor, mas dezenas de milhares. Por outro lado, os qubits são, por natureza, probabilísticos, portanto tentar agrupá-los para realizar uma medição em massa não funcionará. O Google está desenvolvendo um método estatístico para corrigir erros, e John Martinis, físico da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, que se uniu à empresa para desenvolver o Sycamore, diz que os resultados preliminares até agora não revelaram nenhum aspecto fundamental e nenhum obstáculo que impediriam que a correção de erros ficasse cada vez melhor. O show, ao que parece, continuará.
Enquanto isso, os engenheiros do Google trabalharão para melhorar seus qubits a fim de produzir menos erros — potencialmente permitindo que muitos mais qubits sejam interligados. Eles também esperam reduzir suas grandes caixas de controle do tamanho de impressoras — por enquanto, cada uma pode lidar com 20 qubits e circuitos associados, e, dessa forma, três são necessárias para executar os 53 qubits do Sycamore. E, se o sistema crescer para cerca de 1.000 qubits, as suas necessidades de refrigeração excederão a capacidade desses grandes cilindros de prata.
Julian Kelly, que trabalha com hardwares quânticos no Google, diz que o anúncio da empresa é uma conquista da engenharia acima de tudo, mas que pode abrir terrenos ainda inexplorados. “Demonstramos que o hardware quântico pode fazer algo extremamente difícil”, diz ele. “Estamos operando em um ambiente em que ninguém foi capaz de pesquisa antes.” Qual será o resultado desse progresso, ele diz, é algo que “ainda não sabemos, porque acabamos de chegar aqui”.
Neil Savage