Teoria e hardware: grandes avanços na computação quântica

Os computadores quânticos estão mesmo ao virar da esquina.

Há décadas que os cientistas têm tentado lançar as bases teóricas e fazer os avanços experimentais necessários para construir os primeiros computadores quânticos. Esse trabalho está em curso. Mas nos últimos anos, o campo atingiu um ponto de viragem: os computadores quânticos já não são apenas objecto de trabalho científico; estão agora a ser utilizados para fazer trabalho científico.

Isto levanta 2 questões. Primeiro, como podemos construir computadores quânticos mais práticos, estáveis e poderosos? Segundo, quais são as possibilidades dos computadores quânticos que agora temos?

p>Uma equipa de investigadores incluindo Tim Hsieh, um teórico do Instituto Perimeter, Sonika Johri, uma investigadora de algoritmos quânticos da Intel, e Chris Monroe, um experimentador de física quântica, desenvolveu um novo método de simulação quântica. Como estes cientistas mostram, escolher o problema certo pode fazer avançar a computação quântica e a física quântica.

“Chamo-lhe a pilha quântica”, diz Monroe, que dirige o Laboratório de Informação Quântica de Iões da Universidade de Maryland e o Centro de Física Quântica da Universidade Duke. Cada um destes centros tem um computador quântico que se encontra entre os mais avançados da sua classe. Em computação, o hardware forma a parte inferior da pilha, os compiladores e programas estão no meio, e o utilizador está no topo. Na maioria das vezes, o utilizador não se importa como o hardware e o software funcionam.

A pilha quântica está estruturada da mesma forma, e neste caso é o hardware do Sr. Monroe que está no fundo da pilha. No seu laboratório, os iões individuais são levados a um estado quase quiescente em poços de potencial eléctrico, como berlindes numa caixa de ovos. Podem ser “espetados”, como diz Monroe, com lasers. “Os iões são muito frios e muito isolados, pelo que os podemos controlar bastante bem. “Cada íon actua como um qubit individual, uma versão quântica de um bit de computador convencional (0 ou 1), e pode armazenar várias peças de informação ao mesmo tempo. Os iões podem ser interligados, como se os seus estados quânticos estivessem ligados por fios invisíveis. Esta configuração pode constituir um pequeno mas robusto computador quântico.

No meio da pilha estão investigadores de algoritmos quânticos como Sonika Johri, que trabalhava na Intel quando esta investigação foi conduzida. (Está agora com a empresa de computação quântica IonQ, da qual Chris Monroe é um dos fundadores). Para resolver um problema computacional, é preciso conceber a sequência de passos a executar, que se chama um algoritmo”, diz Johri. Desenhar um algoritmo quântico é essencialmente imaginar os passos a dar para alcançar um determinado estado num computador quântico. É uma mistura emocionante de ciência da computação e física. “

Top da pilha são teóricos como Tim Hsieh, um especialista em matéria quântica e informação quântica. “O que me interessa”, diz ele, “é sobretudo sondar estas muitas montagens de qubits e tentar criar novos fenómenos quânticos nestes sistemas artificiais. “

Perfuração de um homem posando em átrio de um grande edifício
Tim Hsieh, professor no Instituto Perimeter

Como um engenheiro que estuda a construção de uma barragem complexa utilizando uma maqueta em escala numa bacia de laboratório, Dr. Hsieh espera explorar estes sistemas quânticos controláveis para aprender mais sobre modelos mais desafiantes de materiais quânticos com forte interacção. Para este projecto, pretende criar um estado duplo de campo térmico (TFD) no laboratório.

TFDs são interessantes por várias razões. Um dos principais é que permitem a simulação de estados térmicos de sistemas quânticos.

Muitos dos problemas não resolvidos em sistemas quânticos de N-corpo – por exemplo, os mistérios dos supercondutores de alta temperatura – envolvem estados térmicos. Mas estas são notoriamente difíceis de simular com precisão em laboratório.

O método habitual de simulação de um estado quântico térmico é colocar o sistema em estudo em contacto com o que é conhecido como reservatório térmico – um dispositivo muito maior que pode modificar o sistema em estudo com pouco efeito em si mesmo. É um pouco como mergulhar um cubo de gelo no oceano. Infelizmente, quando se faz isto com um sistema quântico, todas as suas propriedades quânticas interessantes fundem-se no ambiente e perdem-se nas ondas, num processo chamado decoherence quantum.

O método DFT é diferente. Em vez de colocar o frágil sistema quântico em contacto com um reservatório térmico, é posto em contacto com uma cópia de si mesmo, ao qual está ligado por emaranhamento. Ao contrário da ligação entre o oceano e o cubo de gelo, o grau de enredamento pode ser controlado com precisão.

“O DFT consiste em 2 cópias enredadas de estados quânticos. O grau de emaranhamento determina a ‘temperatura’ do sistema original”, diz Hsieh. Este emaranhamento pode ser controlado com precisão para que o sistema original esteja no estado térmico desejado a uma dada temperatura. “

Por outras palavras, o emaranhado actua como um termóstato que proporciona aos investigadores uma nova forma de controlar os estados térmicos dos sistemas quânticos.

Como é uma técnica poderosa, não é surpreendente que muitos cientistas queiram criar DFTs no laboratório. De facto, ao mesmo tempo que Tim Hsieh publicava as propostas da sua equipa para a criação das DFT, 2 outros grupos publicavam métodos diferentes. Isto ilustra a importância de estudar as DFAs”, diz o Dr. Hsieh. Acreditamos que o nosso método é particularmente bem adaptado para experiências a curto prazo. “

Mas o que é quase tão excitante como a criação de DFAs é como a equipa o conseguiu e as poderosas ferramentas que desenvolveram no processo.

Man working at a machine in a lab
Chris Monroe, trapped-ion experimententer (Image © Cameron Davidson, para a revista Science)

Mr. Monroe explica, “Criar um determinado estado é o objectivo, mas muitas vezes é muito difícil conseguir que o circuito crie o estado desejado. “Se este fosse um computador convencional, teria de saber quais os transístores a ligar para formar os portões lógicos que estão no centro de toda a computação. Neste caso, o problema é: que desistências devem ser intercaladas, e de que forma, para criar um DFT? Embora o número de desistências ainda seja pequeno, o número de formas de as intricar é imenso, e não se pode apenas adivinhar.

“O estado do duplo campo térmico é obviamente interessante”, diz Monroe, “mas como é que se cria? É aí que entra o trabalho de Tim”

Em vez de tatear, Tim Hsieh e Jingxiang Wu, um estudante de doutoramento no Instituto Perimeter, arranjaram uma forma alternativa de encontrar o padrão de emaranhamento certo. Utilizaram um método por etapas chamado algoritmo de optimização quântica aproximada, ou QAOA. Os QAOAs não são novos, mas o papel de Hsieh e Wu foi o primeiro a propor a sua utilização para a criação de estados térmicos.

Tim Hsieh então juntou-se a Sonika Johri, que tinha experiência na implementação de algoritmos como este novo QAOA em computadores quânticos armadilhados de iões quânticos como o de Chris Monroe. Eu disse-lhes que podiam executar este algoritmo neste hardware”, recorda-se ela. Parece muito eficiente e pode fazer bem. “

Retrato de uma mulher sorridente usando uma camisa rosa
Sonika Johri, quantum algorithm researcher

e foi isso que aconteceu, embora tenha sido mais complicado do que apenas implementar o algoritmo e escrever o artigo: todos os 3 investigadores descrevem o vai e vem na pilha entre a teoria e o hardware. E todos os três descrevem a complexidade dos resultados, o tipo de coisa que só se pode aprender tentando. Mas no final, esta equipa foi a primeira a mostrar que a utilização de um QAOA para conceber e depois criar um estado físico interessante funciona realmente na prática.

“O resultado final é um novo protocolo poderoso para implementar estados térmicos”, diz Hsieh. Os estados térmicos são importantes, mas são difíceis de obter. Agora que este protocolo existe, creio que poderia ser muito utilizado. “

Este projecto também ilustra até onde chegou o campo da computação quântica – e que os maiores avanços estão a ser feitos na intersecção da teoria e da experimentação. Há apenas cinco ou 10 anos atrás, o campo estava muito compartimentado: os cientistas de hardware procuravam criar qubits estáveis ou bons portões quânticos; os investigadores algorítmicos estavam a concentrar-se na teoria da complexidade, e a pensar em que algoritmos poderiam funcionar, sem se preocuparem com a forma como poderiam ser implementados.

“Enquanto os computadores quânticos não existissem, tudo bem”, diz Johri. Os cientistas estavam a fazer um trabalho fundamental sobre o hardware e uma investigação muito teórica sobre o software, e nós precisávamos de ambos. Mas agora existem realmente computadores quânticos. “

Para fazer avançar os computadores quânticos, eles precisam de ser testados ao máximo, por isso precisamos de encontrar projectos que empurrem os limites do que é possível a todos os níveis da pilha: teóricos com novas ideias sobre o que fazer e como fazê-lo; programadores quânticos que possam implementar essas ideias eficientemente; especialistas em hardware que possam fazer com que isso aconteça no mundo físico.

“Penso que isso vai ser fundamental para fazer avançar o campo”, diz Sonika Johri. É na conjuntura do hardware e da teoria que tudo isto se vai tornar realidade. ”

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