Ciência e Tecnologia

Pesquisadores atingem feito histórico na computação quântica

Equipe coordenada pelo Google realizou em 200 segundos operação que levaria 10 mil anos em computador clássico, a chamada ‘supremacia quântica’.

Por  Estadão Conteúdo
- atualizado

A partir desta quarta, 23, há um novo horizonte na história da computação. Em um artigo publicado na prestigiosa revista científica Nature, o Google atingiu a supremacia quântica. Ou seja: conseguiu que um de seus computadores quânticos tenha realizado uma operação matemática impossível de ser feita, em tempo razoável, por uma máquina clássica, que opera no sistema binário. O feito, que deve ser debatido pela comunidade científica nos próximos meses, abre as portas para revolucionar como computadores operam. De quebra, também amplia possibilidades na criação de novos materiais, desenvolvimento de medicamentos e expansão de inteligência artificial, além de ser a primeira prova que refuta uma importante tese computacional, a tese estendida de Church e Turing, publicada em 1997.

Na computação clássica, usada por PCs e smartphones atuais, toda e qualquer informação é armazenada ou processada na forma de bits – que podem ser representados por 0 ou 1. Mas, na quântica, os chamados qubits, ou bits quânticos, podem assumir inúmeros estados entre 0 e 1, num fenômeno chamado superposição. Isso aumenta exponencialmente a quantidade de informação que pode ser processada ao mesmo tempo. Enquanto um par de bits tradicionais expressa um tipo de informação de cada vez, dois bits quânticos podem expressar (ou seja, ter) quatro estados ao mesmo tempo. Estima-se que 300 qubits expressem um número de estados maior do que o número de átomos do universo.

A máquina do Google foi capaz de solucionar, em três minutos e 20 segundos, uma operação matemática que demoraria 10 mil anos para ser solucionada em uma máquina tradicional. Para realizar a tarefa, a companhia construiu um chip, batizado de Sycamore, com 53 qubits. Em março de 2018, a companhia chegou a desenvolver um chip de 72 qubits, mas recuou após enfrentar erros no projeto. Em um computador quântico, não é só a quantidade de qubits que importa, mas sim sua qualidade, pois eles apresentam alta instabilidade. A IBM, concorrente na busca pelo computador quântico, já havia anunciado chips com a mesma capacidade, mas ainda não havia apresentado resultados de sua utilização em operações complexas.

Em setembro, o estudo do Google chegou a ser publicado acidentalmente no site da Nasa e removido logo em seguida, gerando expectativa na comunidade científica. O Estado apurou que houve um erro de procedimento na agência espacial americana. Antes de mandar qualquer trabalho para um publicação científica, pesquisadores da Nasa precisam submeter a pesquisa para aprovação interna. Após o sinal verde, o trabalho fica acessível em um arquivo público. Em casos de pesquisa com divulgação com data marcada, é necessário que isso seja indicado num campo específico da plataforma para evitar a divulgação pública – o que não foi feito, permitindo a circulação antecipada do feito.

A participação da Nasa no vazamento se justifica. Embora o Google tenha encabeçado e financiado integralmente o esforço, a pesquisa reuniu 76 pesquisadores de 10 instituições diferentes. Além do Google Research, braço de pesquisa da companhia, e da Nasa, fazem parte do esforço universidades dos EUA e da Alemanha, incluindo a Universidade de Massachusetts, o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e a Universidade da Califórnia em Santa Barbara.

“É um feito histórico. É um desenvolvimento tecnológico que vem sendo construído ao longo dos últimos 20 anos que emprega técnicas de nanociência e nanofabricação, além de uma técnica de controle incrível”, diz Ivan Oliveira, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisa Física (CBPF), órgão federal vinculado ao Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC).

Para Bárbara Amaral, pesquisadora de informação quântica do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, a pesquisa renova o fôlego dos estudos em computação quântica, que convivia com uma sombra de dúvidas sobre sua viabilidade. “O feito traz uma mensagem de esperança para quem é da área. Tem muito tempo que os cientistas estão atrás disso. O que eles fizeram é muito difícil e requer muito investimento” diz.

Máquina tem engenharia complexa

A supremacia quântica foi atingida quando o chip do Google desvendou o funcionamento de um gerador de números aleatórios, dispositivo que gera informações em forma de “zeros” e “uns” que supostamente não podem ser previstas. É como tentar prever os resultados de fazer cara e coroa diversas vezes. É uma ferramenta muito usada por games, por exemplo.

Tentar decifrar esse gerador demoraria 10 mil anos para ser feito pelo mais potente computador tradicional do mundo, o Summit, da IBM. O resultado é a conclusão de um trabalho de cinco anos da divisão de computação quântica do Google.

A dificuldade para que uma máquina dessas funcione vai bem além de tentar apertar o botão de ligar e desligar. Os qubits são componentes difíceis de domar – eles mantém o estado de superposição, que permite os cálculos complexos, apenas por uma fração de segundos. Para que fiquem estáveis, precisam ser construídos com componentes supercondutores, que conduzem a corrente elétrica sem resistência e que não perdem energia. Além disso, o sistema deve funcionar em temperatura de -272,99ºC (ou 0,01 miliKelvin), muito perto do zero absoluto.

O tamanho de cada qubit é de um milésimo de um centímetro, o que faz com que o chip tenha menos de dois centímetros. Porém, o sistema de resfriamento exige uma estrutura de cerca de 1,80 metro e 60 centímetros de diâmetro. Algo como se fosse necessário dispor de uma geladeira inteira para resfriar um único cubo de gelo. Para manter a operação mais distante possível de erros, cada qubit exigia a conexão de três cabos, o que coloca o número final em 159 fios. Por isso, o computador fica em um prédio do Google com acesso restrito, localizado em Santa Barbara, próximo à sede da Universidade da Califórnia local.

Cada vez que a equipe precisava rodar o experimento, o computador demorava semanas até atingir a temperatura necessária, apurou o Estado com fontes próximas ao projeto. Os qubits tinham que ser recalibrados a cada dois dias, um processo que demorava algumas horas para ser realizado. Após rodar, os cientistas não sabiam imediatamente se o processo tinha dado certo. Era preciso levar os dados para serem analisados por um supercomputador clássico em simulação quântica, algo que demorava dias. Essa é uma das razões pela existência de uma equipe grande de cientistas. Eles se dividiram em equipes de fundamentação teórica, de experimento e coleta dos dados, além de um time dedicado à análise de dados.

Isso muda tudo

Apesar de toda complexidade, a computação quântica ainda dá os primeiros passos. Em termos de comparação, ela está em estágio parecido com o da computação clássica nos anos 1950, quando máquinas ocupavam grandes salas de empresas, eram operadas por profissionais dedicados e tinham poder de processamento limitado. O Google resolveu um problema artificial no experimento e o chip não pode solucionar nenhum problema prático. Segundo especialistas, estima-se que sejam necessários chips quânticos com 1 milhão de qubits para que possam, de fato, ser usados em problemas reais.

Se isso acontecer, porém, a computação quântica pode revolucionar a forma como computadores impactam o mundo. Os especialistas na área não sabem prever ao certo como eles poderão ser usados, mas apontam o desenvolvimento de materiais, a criação de remédios, a potencialização de inteligência artificial e a programação de software de otimização, como usados em controles de frota de aviões, como áreas que podem florescer além do que imaginamos.

Até mesmo padrões de segurança na internet poderão ser impactados: estima-se que um computador com 20 milhões de qubits possa quebrar o RSA, código criptográfico utilizado na maioria das comunicações online, incluindo transações financeiras. Isso já preocupa governos e empresas de todo o mundo, o que deu origem a uma nova área de pesquisas em segurança: a criptografia pós-quântica.

Embora esse cenário de máquinas ultra avançadas esteja longe de virar realidade, é possível afirmar que o chip do Google já mudou a literatura da computação. O estudo afirma que o feito é a primeira prova de que a tese estendida de Church e Turing é falsa. Publicada em 1997, ela diz que qualquer forma de computação pode resolver os mesmos problemas em um período de tempo razoável. Claramente, há diferença entre 10 mil anos e 200 segundos.

IBM contesta resultados

Na noite da última segunda-feira, 21, antes da publicação do artigo, a IBM contestou os resultados do Google. A companhia disse ter chegado a um modelo que solucionaria em dois dias e meio o problema do gerador de números em seu computador clássico Summit. A crítica principal é a de que o modelo usado pelo Google para estimar o cálculo de 10 mil anos para a solução do problema numa máquina clássica é exagerado – se comprovado, isso derrubaria a tese de que o Google alcançou a supremacia quântica.

“Mesmo que a IBM esteja certa, acredito que isso não diminui o feito do Google. É muito difícil provar que você tem, de fato, a melhor estratégia clássica. E parece que essa é a proposta da IBM: uma estratégia clássica mais eficiente para simular o computador quântico do Google”, explica Bárbara. “De qualquer forma, mesmo sendo mais eficiente, a estratégia da IBM ainda demanda recursos clássicos que crescem exponencialmente com o número de qubits”, diz. Entre especialistas, estima-se que um computador de 70 qubits faria os cálculos feitos por um computador clássico consumirem 270 mil anos de poder computacional.

“O Google terá perguntas a responder, mas esses anúncios e questionamentos estão acontecendo também num ambiente comercial”, diz Oliveira. De fato, o anúncio do Google não mexe apenas com a comunidade científica. Ele faz parte de uma corrida comercial entre gigantes da tecnologia, que envolve IBM e Microsoft, além do próprio Google e outras tantas startups menos conhecidas. O Morgan Stanley estima que até 2030, o mercado de computação quântica valerá anualmente US$ 9,1 bilhões, o que, claro, vem consumindo investimentos das empresas.

Quando o estudo vazou, Dario Gil, chefe de pesquisa da IBM, disse ao Financial Times que o Google não havia atingido a supremacia quântica, pois o chip era dono de uma obra só: ele resolveu um único problema artificial e não serve para mais nada. Na visão dele, a supremacia quântica só existe quando a máquina é generalista. Ou seja, só quando ela resolve diferentes tarefas como faz um celular, que entende desde os matches do Tinder a complicadas planilhas financeiras. Segundo fontes ouvidas pelo Estado, comenta-se que, dentro do Google, fala-se em “campanha agressiva da IBM contra a supremacia”.

Chip por encomenda

Independentemente de quem leve o título de descobridor da supremacia, o novo modelo de computação, porém, não significa que smartphones e PCs serão substituídos pela tecnologia quântica. Usar uma máquina quântica para carregar uma foto no Instagram seria o mesmo que dar um tiro de bazuca num pernilongo. “Acredito que a computação quântica será usada de maneira complementar à tradicional. Não faz sentido colocar máquinas quânticas para resolver problemas já solucionados por máquinas clássicas”, explica Bárbara.

Segundo a especialista, a computação clássica também pode se beneficiar da disputa entre empresas, que tentam refutar resultados quânticos com modelos clássicos mais eficientes. “Acho interessante notar que o feito do Google, que a princípio não tinha nenhuma aplicação, pode levar ao desenvolvimento de novas estratégias para resolver esse problema em computadores clássicos”, diz.

Dada a complexidade de construção e operação, além de aplicações grandes demais para necessidades individuais, computadores quânticos devem ficar restritos a laboratórios de grandes empresas. A ideia é que possam ser oferecidos como um serviço de computação em nuvem, nos quais qualquer pessoa acesse a potência desse novo cérebro com o seu bom e velho PC ou celular. É por isso que gigantes, como Google, IBM e Microsoft, estão investindo na área. Isso pode ser um diferencial daquilo que elas podem oferecer.

Se os chips quânticos não se tornarem generalistas, isso também não é um problema. “Mesmo que seja específico, vejo isso como um grande avanço. É possível que no futuro chips quânticos, voltados para a resolução de um único problema, sejam encomendados por grandes clientes. Em vez de um chip que faz tudo, as empresas fornecedoras poderiam se dedicar à venda de máquinas específicas”, avalia Oliveira.

De certa forma, o Google concorda com a aplicação específica do chip quântico, mas conclui o estudo com uma mensagem de lembrança de que um novo tempo está ainda florescendo: “Estamos a apenas um algoritmo criativo de uma aplicação prática no curto prazo”.

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