Como funciona o Sycamore, o computador quântico do Google

Entre as vistas montanhosas e costeiras de Goleta, Califórnia, fica um escritório despretensioso ao lado de um prédio próximo à rodovia. Poderia pertencer a qualquer empresa do sul da Califórnia; os trabalhadores sentam-se em cubículos cinzentos sob luzes fluorescentes e há um rack para guardar as bicicletas e as pranchas de surf dos funcionários. Mas nessas mesas estão físicos e cientistas da computação desenvolvendo um computador como nenhum que você já viu antes. Por trás de um conjunto de portas duplas, as máquinas cilíndricas mantêm os chips de computador a temperaturas mais baixas que o vácuo do espaço.

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Aqui, os cientistas do Google têm trabalhado para criar um processador de computador que pode resolver um problema difícil demais para os melhores supercomputadores do mundo. Na quarta-feira (23), eles anunciaram que foram bem-sucedidos: o computador quântico Sycamore conseguiu resolver em 200 segundos um problema que um supercomputador precisaria de 10.000 anos para resolver, de acordo com suas estimativas. É um problema único e simulado, e o chip falharia em uma competição contra um supercomputador para somar dois mais dois. Mas os cientistas do Google pensam que alcançaram um marco histórico da computação.

O escritório quântico do Google com seu logotipo quântico. Parece como qualquer outro escritório chato à primeira vista. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

“Uma crítica que ouvimos muito é que inventamos esse problema artificial de benchmark – [o Sycamore] ainda não faz nada de útil”, disse Hartmut Neven, diretor de engenharia do Google, vestido com um casaco prateado que lembra um traje espacial, a jornalistas em um evento para a imprensa. “É por isso que gostamos de compará-lo a um momento do Sputnik. O Sputnik também não fez muita coisa. Tudo o que fez foi circular ao redor da Terra. No entanto, foi o início da era espacial”.

Na quarta-feira, o Google forneceu aos jornalistas um primeiro olhar sobre o dispositivo e como ele foi capaz de concluir o experimento.

Enquanto computadores clássicos usam transistores para representar dados em zeros e uns, computadores quânticos representam dados usando átomos artificiais, chamados qubits. Em vez de simplesmente usar as regras da lógica, esses qubits interagem através da estranha matemática da mecânica quântica. Eles assumem zero ou um e produzem longas cadeias de código binário como computadores clássicos fazem, mas durante o cálculo, eles podem assumir estados entre zero e um, que determinam a probabilidade de você obter zero ou um na medição final .

O lustre que mantém o chip frio. Todos os fios na parte inferior se conectam ao processador. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

Cada qubit é feito de um pequeno fio supercondutor em forma de sinal de soma. Não apenas a corrente viaja sem resistência através desses sistemas, mas é quase como se a unidade inteira atuasse como um único elétron. Cada sinal de soma toca em outros quatro sinais em forma de grade.

O chip (que se parece muito com qualquer chip de processamento comum para o observador leigo) fica em um invólucro na parte inferior de uma estrutura em forma de bolo de casamento de cabeça para baixo, mantido em uma câmara de vácuo. O ambiente fica progressivamente mais frio a cada camada até atingir a temperatura operacional de 15 miliKelvin. Uma confusão de fios envia minúsculos pulsos de microondas ao qubit, fazendo com que ele assuma estados de agitação que são medidos por outro minúsculo componente conectado ao sinal de soma.

Os cientistas do Google projetaram o experimento de supremacia quântica em 2016. A premissa: estabeleça um circuito aleatório com esses portões quânticos. Meça novamente o mesmo circuito milhares a milhões de vezes, e certas sequências de zeros e uns se tornarão mais prováveis ​​que outras, através de um efeito chamado interferência quântica. Faça um supercomputador simular o computador quântico e peça para ele tentar criar uma distribuição de probabilidade semelhante dessas sequências. Com cada qubit adicional (e com cada operação adicional), fica muito mais difícil para o supercomputador acompanhar. Os cientistas do Google sentiram-se seguros porque, executando 53 dos 54 qubits do Sycamore (um não estava funcionando), eles superaram o supercomputador. Confirmar que a resposta está correta é uma questão de diminuir ligeiramente a complexidade do circuito, executando-o de uma maneira que o supercomputador possa verificar, e depois extrapolar.

Uma comparação dos vários chips quânticos do Google. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

Com a ajuda do físico da Universidade do Texas Scott Aaronson, eles até inventaram um uso para esse experimento de supremacia quântica. Ele gera bits aleatórios, e a aleatoriedade é importante em áreas como criptografia e loteria. Mas e se não for realmente aleatório – e se alguém puder adivinhar secretamente o número supostamente aleatório? Com esse experimento, o Google pode verificar para você que um computador comum não poderia ter criado esses números aleatórios.

Apesar da conquista tecnológica, o computador está propenso a erros. Qualquer interação com o mundo exterior pode fazer com que o qubit gere os valores errados. Mas o experimento demonstrou que, à medida que mais qubits são adicionados, o número de erros aumentará de maneira previsível. O layout, especificamente a estrutura dos sinais de soma, deve ser compatível com um futuro em que eles possam antecipar e solucionar esses problemas.

“Mostramos que temos uma compreensão desses erros”, disse a cientista do Google Marissa Giustina. “Essa é uma peça fundamental da engenharia e da física”. (Para sua informação, Giustina era a única mulher cientista na sala).

Um diagrama de um circuito quântico usado no experimento de supremacia. O circuito estava funcionando no processador Sycamore enquanto conversávamos. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

Eu também pude programar o computador. Semelhante à experiência Q da IBM, você usa uma interface de computador comum para arrastar operações de alteração de valor qubit e de geração de pulso para cada qubit, como notas musicais. Os osciloscópios mostravam a forma dos pulsos que eu estava enviando para os qubits. Observei como a probabilidade de cada qubit final de entregar um zero ou um mudava a cada operação adicional.

Muitos cientistas já levantaram críticas de que os computadores clássicos realmente podem executar o experimento de supremacia em menos tempo ou que o algoritmo clássico correto ainda não foi encontrado. Neven respondeu à alegação da IBM de que levaria um supercomputador clássico 2,5 dias, em vez de 10.000 anos, para executar o experimento de supremacia:

“Desde que publicamos a sugestão de supremacia quântica, houve um fluxo constante de melhorias no lado clássico que se tornaram referência dos supercomputadores clássicos”, disse ele. Ele explicou que os pesquisadores da NASA, do Oak Ridge National Lab e de outros países estão trabalhando para melhorar os algoritmos clássicos de computação, para que o dispositivo do Google tenha supercomputadores de ponta para competir.

Os pulsos de microondas sendo enviados para os qubits. Foto: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo

No campo científico, o Google demonstrou um sistema quântico grande e complicado, muito mais complexo do que já foi mostrado anteriormente. E no campo da computação, entramos em território desconhecido: os computadores quânticos agora são dispositivos que, talvez, possam fazer algo que um computador clássico não pode.

Giustina disse: “Chegamos a um espaço novo em computação, que nenhuma outra ferramenta pode alcançar”.