Nos últimos 20 anos, centenas de empresas, incluindo gigantes como Google, Microsoft e IBM, têm reivindicado seu lugar na corrida para estabelecer a computação quântica. Investidores já colocaram mais de 5 bilhões de dólares até agora. Todo esse esforço tem apenas um propósito: criar a próxima grande inovação mundial.
Os computadores quânticos usam as regras contraintuitivas que governam a matéria em níveis atômicos e subatômicos para processar informações de maneiras impossíveis para os computadores convencionais, ou “clássicos”. Especialistas suspeitam que essa tecnologia terá impacto em áreas tão diversas quanto descoberta de medicamentos, criptografia, finanças e logística de cadeia de suprimentos. A promessa é certamente grande, mas também é o hype.
Em 2022, por exemplo, Haim Israel, diretor-gerente de pesquisa do Bank of America, declarou que a computação quântica será “maior do que o fogo e maior do que todas as revoluções que a humanidade já viu”. Mesmo entre cientistas, uma série de alegações e contra-alegações ferozes tornaram essa área difícil de avaliar.
No final das contas, avaliar nosso progresso na construção de computadores quânticos úteis se resume a um fator central: se conseguimos lidar com o ruído. A natureza delicada dos sistemas quânticos os torna extremamente vulneráveis à menor perturbação, seja um fóton perdido criado pelo calor, um sinal aleatório dos eletrônicos ao redor ou uma vibração física. Esse ruído causa estragos, gerando erros ou interrompem uma computação quântica. Não importa o quão grande seja seu processador ou quais aplicações revolucionárias possam surgir: a menos que o ruído possa ser controlado, um computador quântico nunca superará o que um computador clássico pode fazer.
Por muitos anos, os pesquisadores pensaram que talvez tivessem que se contentar com circuitos ruidosos, pelo menos no curto prazo — e muitos procuraram aplicações que pudessem fazer algo útil com essa capacidade limitada. A busca não foi particularmente bem-sucedida, mas isso pode não importar agora. Nos últimos dois anos, avanços teóricos e experimentais permitiram que os pesquisadores declarassem que o problema do ruído pode finalmente estar sendo resolvido. Uma combinação de estratégias de hardware e software está mostrando promessas para suprimir, mitigar e limpar erros quânticos. Não é uma abordagem especialmente elegante, mas parece que pode funcionar — e mais cedo do que qualquer um esperava.
“Estou vendo muito mais evidências sendo apresentadas em defesa do otimismo”, diz Earl Campbell, vice-presidente de ciência quântica da Riverlane, uma empresa de computação quântica baseada em Cambridge, Reino Unido.
Até os céticos mais rígidos estão sendo conquistados. A professora Sabrina Maniscalco, da Universidade de Helsinque, por exemplo, pesquisa o impacto do ruído nas computações. Há uma década, ela descartava a computação quântica. “Eu achava que havia questões realmente fundamentais. Não tinha certeza de que haveria uma saída”, diz ela. Agora, no entanto, ela está trabalhando no uso de sistemas quânticos para projetar versões aprimoradas de medicamentos contra o câncer ativados por luz, que são eficazes em concentrações mais baixas e podem ser ativados por uma forma de luz menos prejudicial. Ela acha que o projeto está a apenas dois anos e meio do sucesso. Para Maniscalco, a era da “utilidade quântica” — o ponto em que, para certas tarefas, faz sentido usar um processador quântico em vez de um clássico — está quase sobre nós. “Estou realmente bastante confiante de que entraremos na era da utilidade quântica muito em breve”, diz ela.
Colocando qubits na nuvem
Esse momento de avanço vem após mais de uma década de desapontamento gradual. Durante o final dos anos 2000 e início dos anos 2010, os pesquisadores que construíam e operavam computadores quânticos do mundo real os achavam muito mais problemáticos do que os teóricos esperavam.
Para algumas pessoas, esses problemas pareciam intransponíveis. Mas outros, como Jay Gambetta, não se deixaram abalar.
Um australiano de fala mansa, Gambetta tem um PhD em física pela Griffith University, na Gold Coast da Austrália. Ele escolheu ir para lá em parte porque isso lhe permitia alimentar seu vício em surfe. Mas, em julho de 2004, ele se afastou e foi para o Hemisfério Norte fazer pesquisa na Universidade de Yale sobre as propriedades quânticas da luz. Três anos depois (quando ele já era um ex-surfista graças às águas geladas ao redor de New Haven), Gambetta mudou-se ainda mais para o norte, para a Universidade de Waterloo, em Ontário, Canadá. Então, ele soube que a IBM queria se envolver mais diretamente com a computação quântica. Em 2011, Gambetta tornou-se uma das novas contratações da empresa.
Os engenheiros quânticos da IBM estavam ocupados construindo versões quânticas do dígito binário do computador clássico, ou bit. Nos computadores clássicos, o bit é um interruptor eletrônico, com dois estados para representar 0 e 1.
Nos computadores quânticos, as coisas são menos preto no branco. Se isolado do ruído, um bit quântico, ou “qubit”, pode existir em uma combinação probabilística desses dois estados possíveis, um pouco como uma moeda em meio ao arremesso. Essa propriedade dos qubits, juntamente com seu potencial de serem “entrelaçados” com outros qubits, é a chave para as possibilidades revolucionárias da computação quântica.
Um ano após ingressar na empresa, Gambetta identificou um problema com os qubits da IBM: todos podiam ver que estavam ficando bastante bons. Sempre que ele se encontrava com seus colegas físicos em conferências, eles pediam para testar suas ideias mais recentes nos qubits da IBM. Em poucos anos, Gambetta começou a recusar o volume de solicitações. “Eu comecei a pensar que isso era insano—por que deveríamos apenas realizar experimentos para físicos?” ele recorda.
Ocorreu-lhe que sua vida poderia ser mais fácil se ele encontrasse uma maneira para que os físicos operassem os qubits da IBM por conta própria, talvez através da computação em nuvem. Ele mencionou isso ao seu chefe, e então se viu com cinco minutos para apresentar a ideia aos executivos da IBM em uma reunião no final de 2014. A única pergunta que fizeram foi se Gambetta tinha certeza de que poderia realizar isso. “Eu disse sim,” ele diz. “Eu pensei, quão difícil pode ser?”
Muito difícil, como se revelou, porque os executivos da IBM disseram a Gambetta que ele precisava fazer isso rapidamente. “Eu queria gastar dois anos fazendo isso,” ele diz. Eles lhe deram um ano.
Foi um desafio assustador: ele mal sabia o que era a nuvem naquela época. Felizmente, alguns de seus colegas sabiam, e eles puderam atualizar os protocolos de acesso remoto da equipe (úteis para ajustar a máquina à noite ou no fim de semana) para criar um conjunto de interfaces que poderiam ser acessadas de qualquer lugar do mundo.
O primeiro computador quântico com acesso em nuvem do mundo, construído com cinco qubits, entrou no ar à meia-noite de 4 de maio de 2016. A data, o Dia de Star Wars, foi escolhida por nerds, para nerds. “Eu não acho que ninguém na alta administração estava ciente disso,” Gambetta diz, rindo.
Não que a reação da alta administração à data de lançamento estivesse em sua mente. De maior preocupação, ele diz, era se um sistema refletindo anos de trabalho de desenvolvimento nos bastidores sobreviveria sendo conectado ao mundo real. “Nós assistimos aos primeiros trabalhos entrarem. Podíamos vê-los pingando no computador quântico,” ele diz. “Quando não quebrou, começamos a relaxar.”
A computação quântica baseada em nuvem foi um sucesso instantâneo. Sete mil pessoas se inscreveram na primeira semana, e havia 22.000 usuários registrados até o final do mês. Suas iniciativas deixaram claro, no entanto, que a computação quântica tinha um grande problema. O objetivo final do campo é ter centenas de milhares, senão milhões, de qubits trabalhando juntos. Mas quando se tornou possível para os pesquisadores testar computadores quânticos com apenas alguns qubits trabalhando juntos, muitas suposições teóricas sobre a quantidade de ruído que gerariam se revelaram seriamente equivocadas.
Algum ruído sempre foi esperado. Como operam em temperaturas acima do zero absoluto, onde a radiação térmica está sempre presente, todos esperavam alguns impactos aleatórios nos qubits. Mas havia impactos não aleatórios também. Mudanças de temperatura nos eletrônicos de controle criavam ruído. Aplicar pulsos de energia para colocar os qubits nos estados corretos criava ruído. E o pior de tudo, descobriu-se que enviar um sinal de controle para um qubit criava ruído em outros qubits próximos. “Você está manipulando um qubit e outro lá sente isso,” diz Michael Biercuk, diretor do Laboratório de Controle Quântico na Universidade de Sydney, na Austrália.
Quando algoritmos quânticos estavam rodando em uma dúzia ou mais de qubits, o desempenho era consistentemente chocante. Em uma avaliação de 2022, Biercuk e outros calcularam a probabilidade de que um algoritmo rodasse com sucesso antes que o ruído destruísse a informação contida nos qubits e forçasse a computação a sair do caminho. Se um algoritmo com uma resposta correta conhecida fosse rodado 30.000 vezes, por exemplo, a resposta correta poderia ser retornada apenas três vezes.
Embora desapontador, também foi educativo. “As pessoas aprenderam muito sobre essas máquinas ao realmente usá-las,” Biercuk diz. “Encontramos muitas coisas que mais ou menos ninguém sabia, ou eles sabiam e não tinham ideia do que fazer a respeito.”
Corrigindo os erros
Depois de se recuperarem dessa forte crítica, os pesquisadores começaram a se reagrupar. E agora eles desenvolveram um conjunto de soluções que podem trabalhar juntas para controlar o ruído.
De modo geral, as soluções podem ser classificadas em três categorias. A camada base é a supressão de erros. Isso funciona através de software clássico e algoritmos de aprendizado de máquina, que analisam continuamente o comportamento dos circuitos e dos qubits e, em seguida, reconfiguram o design do circuito e a maneira como as instruções são dadas, de modo que a informação mantida nos qubits esteja melhor protegida.
Isso é uma das coisas em que a empresa de Biercuk, a Q-CTRL, trabalha; a supressão, diz a empresa, pode tornar os algoritmos quânticos 1.000 vezes mais propensos a produzir uma resposta correta.
A próxima camada, mitigação de erros, usa o fato de que nem todos os erros causam falhas na computação; muitos deles apenas desviam a computação do curso. Observando os erros que o ruído cria em um sistema particular executando um algoritmo específico, os pesquisadores podem aplicar uma espécie de “antirruído” ao circuito quântico para reduzir as chances de erros durante a computação e no resultado. Esta técnica, algo semelhante ao funcionamento de fones de ouvido com cancelamento de ruído, não é uma solução perfeita. Ela depende, por exemplo, de executar o algoritmo várias vezes, o que aumenta o custo de operação, e o algoritmo apenas estima o ruído. No entanto, faz um trabalho razoável de reduzir os erros no resultado final, diz Gambetta.
A Algorithmiq, com sede em Helsinque, onde Maniscalco é CEO, tem sua própria maneira de limpar o ruído após a computação ser concluída. “Isso basicamente elimina o ruído no pós-processamento, como limpar a bagunça do computador quântico,” diz Maniscalco. Até agora, parece funcionar em escalas razoavelmente grandes.
Além de tudo isso, tem havido uma lista crescente de realizações em “correção de erros quânticos,” ou QEC (do inglês “quantum error correction). Em vez de manter o valor de um qubit em um único qubit, o QEC o codifica nos estados quânticos de um conjunto de qubits. Um erro induzido por ruído em qualquer um desses não é tão catastrófico quanto seria se a informação fosse mantida por um único qubit: monitorando cada um dos qubits adicionais, é possível detectar qualquer mudança e corrigi-la antes que a informação se torne inutilizável.
Implementar o QEC há muito tempo é considerado um dos passos essenciais no caminho para a computação quântica em grande escala e tolerante a ruídos—para máquinas que podem alcançar todas as promessas da tecnologia, como a capacidade de quebrar esquemas de criptografia populares. O problema é que o QEC usa muitos recursos. A arquitetura padrão-ouro de correção de erros, conhecida como código de superfície, requer pelo menos 13 qubits físicos para proteger um único qubit “lógico” útil. À medida que se conectam qubits lógicos, esse número aumenta: um processador útil pode precisar de 1.000 qubits físicos para cada qubit lógico.
Há agora vários motivos para ser otimista mesmo em relação a isso, no entanto. Em julho de 2022, por exemplo, os pesquisadores do Google publicaram uma demonstração de um código de superfície em ação onde o desempenho melhorou (e não piorou) quando mais qubits foram conectados.
Também houve demonstrações promissoras de alternativas teóricas aos códigos de superfície. Em agosto de 2023, uma equipe da IBM que incluía Gambetta mostrou uma técnica de correção de erros que poderia controlar os erros em um circuito de memória de 12 qubits usando 276 qubits extras, uma grande melhoria em relação aos milhares de qubits extras exigidos pelos códigos de superfície.
Em setembro, outras duas equipes demonstraram melhorias semelhantes com um circuito tolerante a falhas chamado portão CCZ, usando circuitos supercondutores e processadores de armadilha de íons.
O fato de tantas técnicas de manuseio de ruído estarem florescendo é um grande feito, especialmente em um momento em que a noção de que poderíamos obter algo útil de processadores em pequena escala e ruidosos se revelou um fracasso.
A correção real de erros ainda não está acontecendo em processadores quânticos comercialmente disponíveis (e não é geralmente implementável como um processo em tempo real durante as computações). Mas Biercuk vê a computação quântica finalmente atingindo seu ritmo. “Acho que estamos bem encaminhados agora,” ele diz. “Não vejo nenhum problema fundamental.”
E essas inovações estão acontecendo ao lado de melhorias gerais no desempenho do hardware, o que significa que há cada vez menos erros básicos nos qubits em funcionamento, e um aumento no número de qubits em cada processador, tornando possíveis cálculos maiores e mais úteis.
Biercuk diz que está começando a ver lugares onde em breve poderá escolher um computador quântico em vez das melhores máquinas clássicas de alto desempenho. Nem um computador clássico nem um quântico podem resolver totalmente tarefas em grande escala, como encontrar as rotas ideais para uma frota nacional de caminhões de entrega. Mas, Biercuk aponta, acessar e operar os melhores supercomputadores clássicos custa muito dinheiro—potencialmente mais do que acessar e operar um computador quântico que talvez até dê uma solução ligeiramente melhor.
“Veja o que os centros de computação de alto desempenho estão fazendo diariamente,” diz Kuan Tan, CTO e cofundador do fornecedor de computadores quânticos com sede na Finlândia, IQM. “Eles estão executando cálculos científicos que consomem muita energia e que são alcançáveis [por] computadores quânticos que consumirão muito menos energia.” Um computador quântico não precisa ser um computador melhor do que qualquer outro tipo de máquina para atrair clientes pagantes, diz Tan. Ele só precisa ser comparável em desempenho e mais barato de operar. Ele espera que alcancemos essa vantagem de energia quântica nos próximos três a cinco anos.
Encontrando utilidade
Há muito tempo se debate sobre qual alvo os pesquisadores de computação quântica devem almejar em sua tentativa de competir com os computadores clássicos. Supremacia quântica, o objetivo que o Google perseguiu—uma demonstração de que um computador quântico pode resolver um problema que nenhum computador clássico pode resolver em um tempo razoável? Ou vantagem quântica, desempenho superior quando se trata de um problema útil, como preferiu a IBM? Ou utilidade quântica, o mais novo termo da moda da IBM? A semântica reflete diferentes visões sobre quais objetivos de curto prazo são importantes.
Em junho, a IBM anunciou que começaria a aposentar seus processadores de nível básico da nuvem, de modo que seu processador Eagle de 127 qubits seria o menor que a empresa disponibilizaria. O movimento visa pressionar os pesquisadores a priorizar tarefas verdadeiramente úteis. Eagle é um processador de “escala de utilidade”, diz a IBM—quando manuseado corretamente, ele pode “fornecer resultados úteis para problemas que desafiam os melhores métodos clássicos escaláveis”.
É uma afirmação controversa—muitos duvidam que o Eagle realmente seja capaz de superar máquinas clássicas adequadamente preparadas. Mas os computadores clássicos já estão lutando para acompanhá-lo, e a IBM tem sistemas ainda maiores: o processador Osprey de 433 qubits, que também é acessível na nuvem, e um processador Condor de 1.121 qubits.
Inspiração para o nome fantasia na tecnologia
Gambetta tem uma justificativa simples para a forma como nomeia os processadores quânticos da IBM: “Eu gosto de pássaros.” A empresa tem um novo design modular, chamado Heron, e o Flamingo está programado para aparecer em 2025—com conexões totalmente quânticas entre chips que permitem que a informação quântica flua entre diferentes processadores sem impedimentos, possibilitando uma computação quântica em grande escala verdadeiramente.
Isso fará de 2025 o primeiro ano em que a computação quântica será provadamente escalável, diz Gambetta: “Estou mirando para que 2025 seja um ano importante para demonstrar tecnologias-chave que nos permitem escalar para centenas de milhares de qubits.”
Tan, da IQM, está espantado com o ritmo de desenvolvimento. “É impressionante quão rápido este campo está progredindo,” ele diz. “Quando eu trabalhava neste campo há 10 anos, nunca teria esperado ter um chip de 10 qubits neste momento. Agora estamos falando de centenas já, e potencialmente milhares nos próximos anos.”
Não é apenas a IBM. Campbell também ficou impressionado com o progresso silencioso, mas enfático, do Google, por exemplo. “Eles operam de forma diferente, mas atingiram os marcos em seu mapa de desenvolvimento público”, diz ele. “Parecem estar fazendo o que dizem que vão fazer.”
Outras empresas de renome também estão adotando a computação quântica. “Estamos vendo a Intel usar suas máquinas de ponta, aquelas que eles usam para fabricar chips, para fabricar dispositivos quânticos”, diz Tan. A Intel está seguindo um caminho tecnológico muito diferente da IBM, criando qubits em dispositivos de silício que a empresa sabe como fabricar em escala, com defeitos mínimos que induzem ruído.
À medida que a computação quântica ganha impulso e os computadores quânticos começam a processar dados do mundo real, a diversidade tecnológica e geográfica será importante para evitar questões geopolíticas e problemas com regulamentos de compartilhamento de dados. Existem restrições, por exemplo, destinadas a manter a segurança nacional – o que talvez limite as oportunidades de mercado de gigantes multinacionais como IBM e Google. No início de 2022, o ministro da defesa da França declarou as tecnologias quânticas como de “interesse estratégico” ao anunciar um novo programa nacional de pesquisa.
Em julho de 2023, a Deutsche Telekom anunciou uma nova parceria com a IQM para acesso baseado em nuvem à computação quântica, chamando-o de um modo para os clientes da DT acessarem um “ambiente quântico verdadeiramente soberano, construído e gerenciado de dentro da Europa”.
Isso não é apenas fanfarronice nacionalista: soberania importa. A DT está liderando o desenvolvimento da Comissão Europeia de uma infraestrutura de comunicações de alta segurança em toda a UE baseada em tecnologia quântica; à medida que a era se aproxima quando computadores quânticos em grande escala representam uma séria ameaça aos protocolos de criptografia padrão, governos e organizações comerciais desejarão testar algoritmos de criptografia “pós-quântica” – aqueles que resistem a ataques de qualquer computador quântico, independentemente de seu tamanho – dentro de suas próprias fronteiras.
Isso ainda não é um problema. Poucas pessoas acham que um processador quântico em grande escala destruidor de segurança está próximo. Mas certamente há uma crença crescente no potencial do campo para ser transformador (e útil) de outras maneiras em apenas alguns anos. E nos dias de hoje, essa crença é baseada em realizações do mundo real.
“Na Algorithmiq, acreditamos em um futuro onde a utilidade quântica acontecerá em breve, mas posso rastrear esse otimismo até patentes e publicações”, diz Maniscalco. A única desvantagem para ela é que nem todos chegaram onde ela está. A computação quântica está aqui agora, ela insiste – mas as velhas objeções são difíceis de morrer, e muitas pessoas se recusam a ver isso. “Ainda há muitos mal-entendidos: fico muito chateada quando vejo ou ouço certas conversas”, diz ela. “Às vezes, desejo ter uma varinha mágica que pudesse abrir os olhos das pessoas”.
Fonte:
Periódico MIT Technology Review, Janeiro – Fevereiro de 2024
Sobre o autor:
Michael Brooks é um jornalista de ciência freelancer no Reino Unido.