Para avaliar o desempenho de um supercomputador, os cientistas da computação recorrem a uma ferramenta padrão: um conjunto de algoritmos
LINPACK que ajudam a verificar como uma máquina pode resolver problemas com um grande número de variáveis. Mas para computadores quânticos que um dia será capaz de resolver problemas inacessíveis a computadores comuns, esse padrão para medir o desempenho não existe.
Uma das razões é que os computadores, que terão que usar as leis da mecânica quântica para acelerar certos cálculos, ainda estão em um estado rudimentar, e os vários circuitos possíveis desses computadores estão competindo entre si. Em alguns deles, os bits quânticos, ou qubits usados para o cálculo, são colocados nos giros de uma sequência de íons "capturados", enquanto outros dependem de pedaços de metais supercondutores que ressoam em resposta à radiação de microondas. Comparar as arquiteturas rudimentares é como "como se estivéssemos em um berçário para decidir quais bebês se tornariam famosos jogadores de basquete", diz Scott Aaronson, especialista em TI da Universidade do Texas em Austin.
No entanto, os pesquisadores já estão fazendo suas primeiras tentativas para medir a velocidade dos computadores quânticos. Em junho de 2019, Margaret Martonosi, especialista em TI da Universidade de Princeton e seus colegas, apresentou uma comparação de computadores quânticos da IBM, Rigetti Computing de Berkeley e Universidade de Maryland (UMD) em College Park. A máquina UMD executada em íons presos manipulou a maioria dos 12 algoritmos de teste com mais precisão do que outros computadores supercondutores, e a equipe anunciou isso no Simpósio Internacional de Arquitetura de Computadores da Phoenix. Christopher Monroe, físico da UMD e fundador da IonQ, prevê que essas comparações um dia se tornarão o padrão. "Esses algoritmos de brinquedo nos dão uma resposta simples - funcionou ou não?" No entanto, mesmo Martonosi adverte que é preciso ter cuidado nesses testes. A análise ainda enfatiza o quão difícil é comparar computadores quânticos e, como resultado, os desenvolvedores são livres para escolher métricas que expõem suas máquinas da melhor maneira possível.
Computadores convencionais trabalham com bits de informação codificados em transistores que podem ser ligados e desligados, indicando zero ou um. Um qubit pode denotar simultaneamente zero e um, codificando um estado em um íon, cuja rotação pode ser zero, única ou pode estar em ambos os estados ao mesmo tempo. Os Qubits permitem que a máquina processe simultaneamente uma matriz de dados recebidos, em vez de fazer isso sequencialmente. Mas os recursos reais da máquina não são alcançados por esse paralelismo maciço, mas por uma abordagem de problemas cujas soluções podem ser codificadas em ondas quânticas espirrando entre qubits. As ondas interferem de tal maneira que as decisões erradas afundam e as corretas flutuam.
Um computador quântico pode, por exemplo, quebrar sistemas de criptografia da Internet com base na fatoração de grandes números - para um computador clássico, essa é uma tarefa muito difícil. Mas resolver esses problemas exigirá 100.000 qubits, além de métodos para corrigir erros em ondas quânticas sensíveis. Os pesquisadores dizem que essas máquinas não aparecerão por várias décadas. No entanto, os computadores quânticos com apenas algumas dúzias de qubits ruidosos poderão competir em breve com os comuns em determinadas tarefas, e os desenvolvedores já estão procurando métricas adequadas para provar isso.
Salto quântico
A Rigetti Computing está procurando um aplicativo que possa dar uma vantagem prática a um computador quântico baseado em um chip supercondutor. Outras empresas estão promovendo outras métricas para medir o progresso.
Uma das métricas mais comuns é a solução para um problema que é demais para um computador comum, ou o chamado superioridade quântica. "É um projeto do tipo 'Olá, mundo!', Que demonstra o desempenho do seu computador quântico", disse John Martinis, físico de Santa Barbara que dirige o projeto do Google para se destacar em uma máquina com 72 qubits supercondutores.
A tarefa escolhida pelos pesquisadores do Google é extremamente abstrata. De fato, eles programam seu computador quântico para executar um conjunto de operações aleatórias repetidas constantemente em qubits. Devido à interferência quântica, uma máquina deve produzir certas seqüências de zeros e outras com maior probabilidade do que outras. Se não houvesse interferência, a probabilidade de ocorrência dessas e de outras seqüências seria a mesma. Além disso, prever a distribuição exata dos resultados do trabalho vai além das capacidades dos computadores clássicos, com um aumento no número de qubits. Portanto, se os pesquisadores do Google puderem medir essa distribuição característica para sua máquina de 72 qubits, isso significa que eles alcançaram superioridade quântica contando algo que não está disponível para um computador comum. No entanto, esse exercício enigmático não abrirá a era dos computadores quânticos praticamente úteis, diz Greg Cooperberg, matemático da Universidade da Califórnia, Davis. "Isso é superioridade na solução de uma tarefa completamente inútil".
Pesquisadores de Rigetti, pelo contrário, procuram demonstrar que seu computador quântico é capaz de executar determinadas tarefas úteis com mais precisão, rapidez ou menor custo do que o habitual - eles chamaram essa métrica de vantagem quântica. "Queremos alcançar propriedades que possam nos mostrar o caminho mais curto para o valor comercial", disse Chad Rigetti, físico e fundador da startup. Por exemplo, ele diz, um computador quântico pode ser ideal para modelar interações complexas de ativos financeiros em um fundo de hedge.
Em setembro de 2018, Rigetti ofereceu US $ 1 milhão ao primeiro usuário que conseguiu obter vantagens quânticas em seus computadores, acessíveis a todos. A versão atual usa 16 qubits supercondutores. Como fatores como custo estão incluídos na métrica, a vantagem quântica não possui uma definição tão rígida, diz Aram Harrow, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Mas se eles estão um pouco embaçados, não é grande coisa para Ridgetti", diz Harrow.
Pesquisadores da IBM identificaram seu volume quântico métrico - ele mede o desempenho de computadores quânticos sem comparação com os convencionais. Isso inclui a verificação de um computador quântico em cálculos aleatórios, semelhante ao que eles fazem no Google. Depende do número de qubits e do número de ciclos computacionais que uma máquina pode suportar antes que seu estado quântico seja lavado.
Usando uma máquina com 20 qubits supercondutores, os cientistas da IBM atingiram um volume quântico de 16 unidades e planejam dobrá-lo anualmente, disse Jay Gambetta, físico do IBM Research Center. Thomas Watson em Yorktown Heights, Nova York. Ele diz que os aplicativos inovadores seguirão naturalmente. "Não acho que valha a pena marcar algo como superioridade. Estamos cientes disso quando avançamos em direção a conquistas cada vez maiores. ”
E há uma comparação direta, como a de Martonosi. Em seus testes, uma máquina de íons de 5 qubit solucionou todos os problemas corretamente em 90% dos casos, em comparação com as máquinas de qubit supercondutoras que resolveram problemas em não mais de 50% dos casos. Essa diferença reflete o estado atual da tecnologia, mas não seu potencial, diz Martonosi. Por exemplo, em uma máquina supercondutora, cada qubit interage apenas com seus vizinhos, mas cada íon na máquina UMD interage com todos os outros íons, e isso oferece uma vantagem. Mas máquinas maiores com íons não terão mais essa vantagem.
Martonosi diz que as comparações mostram uma melhora significativa no desempenho de todos os computadores quânticos quando são programados para as diferenças no ruído dos qubits e sua conectividade. "Ele funciona em uma ampla variedade de opções de hardware", diz ela. "E isso é muito legal."
Harrow se pergunta quão útil serão as métricas atuais a longo prazo. A principal dificuldade da computação quântica é encontrar uma tecnologia que possa escalar para milhares de qubits, diz ele. "E essas métricas estão muito vagamente relacionadas a problemas de escala".