Físicos finalmente encontram um problema que só computadores quânticos podem resolver | Revista Quanta

Os computadores quânticos estão prestes a se tornarem superpoderes computacionais, mas os pesquisadores há muito buscam um problema viável que confira uma vantagem quântica – algo que apenas um computador quântico pode resolver. Só então, argumentam eles, a tecnologia será finalmente vista como essencial.

Eles estão procurando há décadas. “Parte da razão pela qual é desafiador é porque os computadores clássicos são muito bons em muitas das coisas que fazem”, disse John Preskill, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Em 1994, Peter Shor descobriu uma possibilidade: um algoritmo quântico para fatorar grandes números. O algoritmo de Shor é poderoso e acredita-se que supera todos os algoritmos clássicos; quando executado em um computador quântico, tem o potencial de quebrar grande parte dos sistemas de segurança da Internet, que dependem da dificuldade de fatorar grandes números. Mas por mais impressionante que seja, o algoritmo é relevante apenas para uma pequena fatia de áreas de investigação, e é possível que amanhã alguém encontre uma forma eficiente de factorizar grandes números numa máquina clássica, tornando o algoritmo de Shor discutível. A aplicabilidade restrita de Shor levou a comunidade de pesquisa a procurar outros casos de uso para máquinas quânticas que possam realmente ajudar a fazer novas descobertas científicas.

“Não queremos construir um computador apenas para uma única tarefa”, disse Soonwon Choi, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Além do algoritmo de Shor, o que mais podemos fazer com um computador quântico?”

Como afirma Preskill: “Temos que encontrar os problemas que são classicamente difíceis, mas depois temos que [mostrar] que os métodos quânticos serão realmente eficientes”.

Algumas vezes, os pesquisadores pensaram que tinham conseguido, descobrindo algoritmos quânticos que poderiam resolver problemas mais rapidamente do que qualquer coisa que um computador clássico pudesse fazer. Mas então alguém — muitas vezes o jovem pesquisador Ewin Tang - criou novos algoritmos clássicos inteligentes que poderiam superar os quânticos.

Agora, uma equipe de físicos, incluindo Preskill, pode ter encontrou o melhor candidato até agora para vantagem quântica. Ao estudar a energia de certos sistemas quânticos, eles descobriram uma questão específica e útil que é fácil de ser respondida por uma máquina quântica, mas ainda difícil para uma máquina clássica. “Este é um grande progresso na teoria dos algoritmos quânticos”, disse Sergey Bravyi, físico teórico e cientista da computação da IBM. “O resultado deles é uma vantagem quântica para um problema relevante para a química e as ciências dos materiais.”

Os pesquisadores também estão entusiasmados com o fato de o novo trabalho explorar novas áreas inesperadas das ciências físicas. “Esta nova capacidade é qualitativamente diferente [da de Shor] e potencialmente abre muitas novas oportunidades no mundo dos algoritmos quânticos”, disse Choi.

O problema tem a ver com as propriedades dos sistemas quânticos (normalmente átomos) em vários estados de energia. Quando os átomos saltam entre estados, suas propriedades mudam. Eles podem emitir uma determinada cor de luz, por exemplo, ou tornar-se magnéticos. Se quisermos prever melhor as propriedades do sistema em vários estados de energia, será útil compreender o sistema quando ele está em seu estado menos excitado, que os cientistas chamam de estado fundamental.

“Muitos químicos, cientistas de materiais e físicos quânticos estão trabalhando para encontrar estados fundamentais”, disse Roberto Huang, um dos novos autores do artigo e cientista pesquisador do Google Quantum AI. “É conhecido por ser extremamente difícil.”

É tão difícil que, depois de mais de um século de trabalho, os pesquisadores ainda não encontraram uma abordagem computacional eficaz para determinar o estado fundamental de um sistema a partir dos primeiros princípios. Nem parece haver alguma maneira de um computador quântico fazer isso. Os cientistas concluíram que encontrar o estado fundamental de um sistema é difícil tanto para computadores clássicos quanto para computadores quânticos.

Mas alguns sistemas físicos apresentam um cenário energético mais complexo. Quando resfriados, esses sistemas complexos se contentam em não se estabelecerem em seu estado fundamental, mas sim em um nível de energia baixo próximo, conhecido como nível de energia mínimo local. (Parte do Prêmio Nobel de Física de 2021 foi concedido pelo trabalho em um desses conjuntos de sistemas, conhecido como óculos de giro.) Os pesquisadores começaram a se perguntar se a questão de determinar o nível mínimo de energia local de um sistema também seria universalmente difícil.

As respostas começaram a surgir no ano passado, quando Chi-Fang (Anthony) Chen, outro autor do artigo recente, ajudou a desenvolver um novo algoritmo quântico que poderia simular a termodinâmica quântica (que estuda o impacto do calor, da energia e do trabalho em um sistema quântico). “Acho que muitas pessoas [pesquisaram] a questão de como é o cenário energético em sistemas quânticos, mas anteriormente não havia nenhuma ferramenta para analisá-lo”, disse Huang. O algoritmo de Chen ajudou a abrir uma janela sobre como esses sistemas funcionam.

Ao ver o quão poderosa era a nova ferramenta, Huang e Leão Zhou, o quarto e último autor do novo artigo, usou-o para projetar uma maneira para os computadores quânticos determinarem o estado de energia mínima local de um sistema, em vez de perseguir o estado fundamental ideal – uma abordagem que se concentrou exatamente no tipo de questão que os pesquisadores da computação quântica estavam procurando. “Agora temos um problema: encontrar uma quantidade local de energia, o que ainda é classicamente difícil, mas que podemos dizer que é quânticamente fácil”, disse Preskill. “Isso nos coloca na arena onde queremos estar em busca de vantagens quânticas.”

Liderados por Preskill, os autores não só provaram o poder da sua nova abordagem para determinar o estado de energia mínima local de um sistema – um grande progresso no campo da física quântica – mas também provaram que este era finalmente um problema onde os computadores quânticos podiam mostrar o seu valor. “O problema de encontrar o mínimo local tem vantagem quântica”, disse Huang.

E, diferentemente dos candidatos anteriores, este provavelmente não será destronado por nenhum novo algoritmo clássico. “[É] improvável que seja desquantizado”, disse Choi. A equipe de Preskill fez suposições muito plausíveis e deu poucos saltos lógicos; se um algoritmo clássico pode alcançar os mesmos resultados, isso significa que os físicos devem estar errados sobre muitas outras coisas. “Esse será um resultado chocante”, disse Choi. “Ficarei animado para ver, mas será chocante demais para acreditar.” O novo trabalho apresenta um candidato tratável e promissor para demonstrar vantagem quântica.

Para ser claro, o novo resultado ainda é de natureza teórica. Demonstrar esta nova abordagem em um computador quântico real é atualmente impossível. Levará algum tempo para construir uma máquina que possa testar exaustivamente a vantagem quântica do problema. Então, para Bravyi, o trabalho está apenas começando. “Se você olhar o que aconteceu há cinco anos, tínhamos apenas alguns computadores quânticos qubit e agora já temos centenas ou até 1,000 máquinas qubit”, disse ele. “É muito difícil prever o que aconteceria em cinco ou dez anos. É um campo muito dinâmico.”

Correção: 12 de março de 2024
Este artigo foi editado para descrever mais claramente a busca por um problema com vantagem quântica.