Pesquisadores do grupo de John Martinis, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara / John Martinis, cumpriram sua reivindicação de supremacia quântica. Usando 53 bits quânticos emaranhados (“qubits”), o computador Sycamore assumiu – e resolveu – um problema considerado intratável para computadores clássicos.

“Uma computação que levaria 10.000 anos em um supercomputador clássico levou 200 segundos em nosso computador quântico”, disse Brooks Foxen, pesquisador de pós-graduação do Martinis Group. “É provável que o tempo de simulação clássica, atualmente estimado em 10.000 anos, seja reduzido por hardware e algoritmos clássicos aprimorados, mas, como atualmente somos 1,5 trilhão de vezes mais rápidos, nos sentimos confortáveis ​​reivindicando essa conquista”.

O feito é descrito em um artigo na revista Nature .

O marco surge após aproximadamente duas décadas de pesquisa em computação quântica conduzida por Martinis e seu grupo, desde o desenvolvimento de um único qubit supercondutor a sistemas incluindo arquiteturas de 72 e, com o Sycamore, 54 qubits (um não foi executado) que tiram vantagem de as propriedades imponentes e bizarras da mecânica quântica.

“O algoritmo foi escolhido para enfatizar os pontos fortes do computador quântico, aproveitando a dinâmica natural do dispositivo”, disse Ben Chiaro, outro pesquisador de pós-graduação do Martinis Group. Ou seja, os pesquisadores queriam testar a capacidade do computador de reter e manipular rapidamente uma vasta quantidade de dados complexos e não estruturados.

“Nós basicamente queríamos produzir um estado emaranhado envolvendo todos os nossos qubits o mais rápido possível”, disse Foxen, “e então decidimos por uma sequência de operações que produziram um estado de superposição complicado que, quando medido, retorna uma sequência de bits com probabilidade. determinado pela seqüência específica de operações usada para preparar essa superposição em particular.O exercício, que foi verificar se a saída do circuito corresponde à equação usada para preparar o estado, amostrou o circuito quântico um milhão de vezes em apenas alguns minutos, explorando todas as possibilidades – antes que o sistema possa perder sua coerência quântica.

‘Um estado de superposição complexo’

“Realizamos um conjunto fixo de operações que envolve 53 qubits em um estado de superposição complexo”, explicou Chiaro. “Este estado de superposição codifica a distribuição de probabilidade. Para o computador quântico, a preparação desse estado de superposição é realizada aplicando uma sequência de dezenas de pulsos de controle a cada qubit em questão de microssegundos. Podemos preparar e, em seguida, amostrar essa distribuição medindo a qubits um milhão de vezes em 200 segundos “.

“Para computadores clássicos, é muito mais difícil calcular o resultado dessas operações porque exige calcular a probabilidade de estar em qualquer um dos 2 ^ 53 estados possíveis, onde os 53 provêm do número de qubits – a escala exponencial é por isso que as pessoas estão interessadas em computação quântica “, disse Foxen. “Isso é feito pela multiplicação da matriz, que é cara para os computadores clássicos à medida que as matrizes se tornam grandes”.

De acordo com o novo artigo, os pesquisadores usaram um método chamado benchmarking de entropia cruzada para comparar a saída do circuito quântico (uma “cadeia de bits”) com sua “probabilidade ideal correspondente calculada por simulação em um computador clássico” para verificar se o computador quântico estava funcionando corretamente.

“Fizemos muitas escolhas de design no desenvolvimento de nosso processador que são realmente vantajosas”, disse Chiaro. Entre essas vantagens, ele disse, estão a capacidade de ajustar experimentalmente os parâmetros dos qubits individuais, bem como suas interações.

Embora o experimento tenha sido escolhido como prova de conceito para o computador, a pesquisa resultou em uma ferramenta muito real e valiosa: um gerador de números aleatórios certificado. Útil em vários campos, números aleatórios podem garantir que as chaves criptografadas não possam ser adivinhadas ou que uma amostra de uma população maior seja verdadeiramente representativa, levando a soluções ideais para problemas complexos e aplicativos de aprendizado de máquina mais robustos. A velocidade com que o circuito quântico pode produzir sua sequência de bits aleatória é tão grande que não há tempo para analisar e “enganar” o sistema.

“Os estados da mecânica quântica fazem coisas que vão além da nossa experiência cotidiana e, portanto, têm o potencial de fornecer recursos e aplicativos que, de outra forma, seriam inatingíveis”, comentou Joe Incandela, vice-chanceler de pesquisa da UC Santa Barbara. “A equipe demonstrou a capacidade de criar de forma confiável e amostrar repetidamente estados quânticos complicados envolvendo 53 elementos emaranhados para realizar um exercício que levaria milênios a ver com um supercomputador clássico. Esta é uma grande conquista. Estamos no limiar de um novo era de aquisição de conhecimento “.

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