Supremacia quntica demonstrada em dois processadores qunticos diferentes


Informtica

Com informações da APS – 27/10/2021

Supremacia qu

Esquema do computador quntico ptico (processador de luz) usado pela equipe.
[Imagem: Han-Sen Zhong et al. – 10.1103/PhysRevLett.127.180502]

Primazia quntica

Pesquisadores chineses parecem ter colocado uma palavra final na longa discusso acerca da supremacia quntica – que eles preferem chamar de primazia quntica.

Supremacia ou primazia, a questo envolve demonstrar que um computador quntico capaz de resolver um problema que invivel de ser solucionado por um computador eletrnico comum, neste caso conhecido como “computador clssico”.

No contentes com uma demonstrao, a equipe da Universidade de Cincia e Tecnologia da China fez logo dois experimentos diferentes, e ambos usando problemas gigantescos, para os quais parece ser virtualmente impossvel otimizar os algoritmos clssicos a ponto de tornar vivel sua soluo pelos computadores atuais.

Embora o Google tenha afirmado ter atingido a supremacia quntica em 2019, a comunidade cientfica no concordou, sugerindo, entre vrios outros argumentos, que os testes no foram feitos com os melhores algoritmos ou implementaes clssicas possveis.

Supremacia qu

Detalhe do processador fotnico, que usou um interfermetro de 144 modos para resolver um problema de amostragem com um fator de acelerao de 1024 no tempo computacional em relao a um computador clssico.
[Imagem: Chao-Yang Lu/University of Science and Technology of China]

Computadores qunticos fotnico e supercondutor

Na prtica, a abordagem para demonstrar a primazia quntica baseada em “problemas de amostragem”, problemas computacionais cujas solues so instncias aleatrias – ou amostras – de uma dada distribuio de probabilidade. A vantagem quntica estabelecida se a gerao dessas instncias for invivel para um computador clssico, mas no para o computador quntico.

Alm da questo do software, a equipe chinesa demonstrou a supremacia quntica tambm levando em conta o hardware: Eles usaram duas arquiteturas de computao quntica diferentes, uma fotnica, baseada em qubits de luz, e outra baseada nos mais comuns qubits supercondutores.

Em cada caso, o objetivo era aumentar o nmero de partculas (como o nmero de ftons, no circuito fotnico, ou o nmero de qubits, no circuito supercondutor), bem como a profundidade do circuito (o nmero mximo de operaes sequenciais entre a entrada no computador e sua sada) a tal ponto que a simulao clssica do resultado se tornasse impossvel ou invivel (se ela exigir um tempo igual idade do Universo, por exemplo).

O processador fotnico demonstrou sua supremacia resolvendo um problema conhecido como “amostragem de bsons gaussiana”. Pelos clculos da equipe, a soluo quntica obtida em um tempo computacional 1024 vezes mais rpida do que se pode obter com um computador clssico.

O processador quntico supercondutor, por sua vez, fez seu trabalho usando 56 qubits. Embora parea ser apenas ligeiramente mais qubits do que os 53 usados pelo Google em 2019, simular classicamente este novo teste de 56 qubits exige ordens de magnitude mais recursos computacionais clssicos do que simular o caso do Google porque os recursos computacionais aumentam exponencialmente a partir de aumentos lineares no nmero de qubits.

Supremacia qu

O processador quntico supercondutor, chamado Zuchongzhi, tem na verdade 66 qubits, mas a equipe usou apenas 56 para evitar controvrsias.
[Imagem: Han-Sen Zhong et al. – 10.1103/PhysRevLett.127.180502]

Amostragem quntica

Ao completar com xito seus dois experimentos, a equipe adotou abordagens que j respondem aos principais argumentos contra a alegao da primazia quntica, como os que a IBM apresentou para contestar a alegao do Google. Os pesquisadores foram alm, apontando o caminho para experimentos de amostragem quntica cada vez maiores que podero ser feitos no futuro, tornando o debate clssico versus quntico verdadeiramente sem sentido.

Dado que problemas de amostragem to impressionantes e grandes so resolvidos por mquinas qunticas de uma forma que supera em muito os simuladores clssicos, ser que poderamos usar esses amostradores qunticos para resolver problemas computacionais prticos?

Os pesquisadores afirmam que existem problemas significativos que podem ser abordados usando esses amostradores, em particular no campo da qumica quntica, mas nenhuma demonstrao experimental convincente foi relatada at hoje. Para eles, alm de acalmar as discusses sobre a primazia quntica, esses experimentos motivam ainda mais esforos para que os cientistas encontrem usos prticos para a amostragem quntica.

Bibliografia:

Artigo: Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light
Autores: Han-Sen Zhong, Yu-Hao Deng, Jian Qin, Hui Wang, Ming-Cheng Chen, Li-Chao Peng, Yi-Han Luo, Dian Wu, Si-Qiu Gong, Hao Su, Yi Hu, Peng Hu, Xiao-Yan Yang, Wei-Jun Zhang, Hao Li, Yuxuan Li, Xiao Jiang, Lin Gan, Guangwen Yang, Lixing You, Zhen Wang, Li Li, Nai-Le Liu, Jelmer Renema, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 127, 180502
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.180502

Artigo: Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor
Autores: Yulin Wu, Wan-Su Bao, Sirui Cao, Fusheng Chen, Ming-Cheng Chen, Xiawei Chen, Tung-Hsun Chung, Hui Deng, Yajie Du, Daojin Fan, Ming Gong, Cheng Guo, Chu Guo, Shaojun Guo, Lianchen Han, Linyin Hong, He-Liang Huang, Yong-Heng Huo, Liping Li, Na Li, Shaowei Li, Yuan Li, Futian Liang, Chun Lin, Jin Lin, Haoran Qian, Dan Qiao, Hao Rong, Hong Su, Lihua Sun, Liangyuan Wang, Shiyu Wang, Dachao Wu, Yu Xu, Kai Yan, Weifeng Yang, Yang Yang, Yangsen Ye, Jianghan Yin, Chong Ying, Jiale Yu, Chen Zha, Cha Zhang, Haibin Zhang, Kaili Zhang, Yiming Zhang, Han Zhao, Youwei Zhao, Liang Zhou, Qingling Zhu, Chao-Yang Lu, Cheng-Zhi Peng, Xiaobo Zhu, Jian-Wei Pan
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 127, 180501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.180501

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