19 SEGUNDOS CONTRA UM SÉCULO DE SUPERCOMPUTAÇÃO

Vantagem quântica significa mostrar que um computador quântico consegue fazer uma tarefa que nenhum supercomputador clássico termina em tempo razoável. O teste padrão é a amostragem de circuitos aleatórios (random-circuit sampling): aplica-se uma sequência de portas quânticas escolhidas ao acaso a dezenas de qubits e depois mede-se. O resultado é um fluxo de sequências de 0 e 1 sorteadas de uma distribuição de probabilidade que os computadores clássicos têm enorme dificuldade em reproduzir.

Um ponto importante: essa tarefa não tem uso prático. É um benchmark — um cronômetro de poder computacional bruto.

Uma corrida dos dois lados

O processador Sycamore abriu a corrida com 53 qubits, seguido pelo Zuchongzhi 2.0 e 2.1, pelo Sycamore com 67 qubits e pelo Zuchongzhi 3.0 com 83 qubits ativos. Do outro lado, os algoritmos clássicos continuaram melhorando e reduziram em ordens de grandeza o custo de reproduzir esses experimentos. Por isso, toda alegação precisa dizer exatamente com qual tarefa clássica está sendo comparada.

Até agora, todas essas demonstrações rodaram em máquinas de laboratório dedicadas, cuidadosamente ajustadas para a ocasião.

Um processador alugado pela nuvem

Uma equipe da startup BlueQubit (São Francisco), com colegas da EPFL e da XPRIZE Foundation, usou um processador IBM Nighthawk r2: 120 qubits supercondutores numa grade quadrada de 12 × 10. Eles o acessaram pela nuvem, com as ferramentas padrão Qiskit da IBM, e sem nenhuma calibração especial. Os autores não são da IBM: usaram a máquina pelo programa de startups da IBM e afirmam que suas opiniões não são as da IBM.

Eles usaram 61 qubits — três ficaram de fora por causa de seus dados de calibração —, ligados por 102 acopladores.

Verificar o resultado diretamente é impossível: é justamente o que os computadores clássicos não conseguem fazer. Então a equipe usou duas estimativas independentes da fidelidade do circuito:

um teste “espelho”: rodar um circuito e depois seu inverso exato, e verificar se os qubits voltam ao ponto de partida — sem nenhuma simulação;
um teste “por pedaços” (patch): cortar o circuito em 3 ou 4 partes pequenas o bastante para simular, e verificar cada parte.

Os números

As duas estimativas concordam em todas as profundidades medidas.
Fidelidade por ciclo: 0,872, contra 0,836 no Nighthawk r1 de primeira geração — mais de dez vezes melhor após 32 a 40 ciclos.
O ponto de referência: 36 ciclos, 918 portas de dois qubits, uma fidelidade de cerca de 0,0023. Um milhão de amostras foi coletado em 19 segundos.
Calcular classicamente uma única probabilidade de saída custa cerca de 10²² operações — cerca de dois dias do supercomputador Frontier.
Produzir classicamente o mesmo milhão de amostras: cerca de 1,2 × 10²⁷ operações, ou por volta de 110 anos no Frontier.
O experimento inteiro usou cerca de 11 minutos de tempo de computador quântico.
Os “truques” clássicos conhecidos — cortar o circuito em pedaços para imitar a pontuação — ficam pelo menos dez vezes abaixo da pontuação medida.

As letras miúdas

Os 110 anos são uma estimativa para um algoritmo clássico específico, não um limite absoluto. Ela supõe memória ilimitada, o que favorece o lado clássico. Outros métodos — reaproveitar trabalho entre muitas probabilidades, simulações aproximadas — poderiam reduzir o custo. E, escrevem os autores, a história desse benchmark indica que alguns deles vão conseguir.

Um benchmark que qualquer um pode refazer

Segundo os autores, esta é a primeira demonstração de vantagem quântica em amostragem padrão de circuitos aleatórios num processador comercial, amplamente acessível, que a maioria dos usuários não especialistas pode reproduzir. Os circuitos, os dados — incluindo o milhão de amostras — e o código são públicos.