Um futuro da computação quântica é improvável, devido a erros aleatórios de hardware

Google anunciou recentemente – com muito alarde – que tinha demonstrado “supremacia quântica” – ou seja, ele realizou uma computação quântica específica muito mais rápido do que os melhores computadores clássicos poderiam alcançar. A IBM criticou prontamente a afirmação, dizendo que seu próprio supercomputador clássico poderia realizar o cálculo quase à mesma velocidade e com fidelidade muito maior e, portanto, o anúncio do Google deveria ser tomado “com uma grande dose de ceticismo”.

Esta não foi a primeira vez que alguém pôs em dúvida a computação quântica. No ano passado, Michel Dyakonov, físico teórico da Universidade de Montpellier, na França, ofereceu uma série de razões técnicas pelas quais os supercomputadores quânticos práticos nunca serão construídos em um artigo da IEEE Spectrum, a revista emblemática da engenharia elétrica e informática.

Então, como é possível compreender o que está acontecendo?

Como alguém que trabalhou na computação quântica durante muitos anos, acredito que, devido à inevitabilidade de erros aleatórios no hardware, é pouco provável que se construam computadores quânticos úteis.

O que é um computador quântico?

Para entender o porquê, você precisa entender como funcionam os computadores quânticos, já que eles são fundamentalmente diferentes dos computadores clássicos.

Um computador clássico usa 0 e 1 para armazenar dados. Estes números podem ser tensões em diferentes pontos de um circuito. Mas um computador quântico trabalha em bits quânticos, também conhecidos como qubits. Você pode imaginá-los como ondas que são associadas com amplitude e fase.

Os Qubits têm propriedades especiais: Eles podem existir na superposição, onde eles são ambos 0 e 1 ao mesmo tempo, e eles podem ser enredados para que eles compartilhem propriedades físicas mesmo que eles possam ser separados por grandes distâncias. É um comportamento que não existe no mundo da física clássica. A superposição desaparece quando o experimentador interage com o estado quântico.

Devido à superposição, um computador quântico com 100 quintos pode representar 2100 soluções simultaneamente. Para certos problemas, este paralelismo exponencial pode ser aproveitado para criar uma tremenda vantagem de velocidade. Alguns problemas de quebra de código poderiam ser resolvidos exponencialmente mais rápido em uma máquina quântica, por exemplo.

Há uma outra abordagem mais estreita para a computação quântica chamada recozimento quântico, onde os qubits são usados para acelerar os problemas de otimização. A D-Wave Systems, com sede no Canadá, construiu sistemas de otimização que usam qubit para essa finalidade, mas os críticos também afirmam que esses sistemas não são melhores que os computadores clássicos.

Independentemente disso, empresas e países estão investindo enormes quantidades de dinheiro em computação quântica. A China desenvolveu uma nova instalação de investigação quântica no valor de 10 mil milhões de dólares americanos, enquanto a União Europeia desenvolveu um plano mestre quântico de mil milhões de euros (1,1 mil milhões de dólares americanos). A Lei da Iniciativa Nacional Quântica dos Estados Unidos prevê 1,2 mil milhões de dólares para promover a ciência da informação quântica durante um período de cinco anos.

Quebrar os algoritmos de criptografia é um poderoso fator motivador para muitos países – se eles conseguissem fazê-lo com sucesso, isso lhes daria uma enorme vantagem em termos de inteligência. Mas esses investimentos também estão promovendo pesquisas fundamentais em física.

Muitas empresas estão pressionando para construir computadores quânticos, incluindo a Intel e a Microsoft, além do Google e da IBM. Essas empresas estão tentando construir hardware que reproduza o modelo de circuito dos computadores clássicos. No entanto, os sistemas experimentais atuais têm menos de 100 qubits. Para alcançar um desempenho computacional útil, você provavelmente precisa de máquinas com centenas de milhares de qubits.

O processador Sycamore do Google possui apenas 54 qubits. Erik Lucero, cientista pesquisador e líder em produção de hardware quântico, Google , CC BY-ND

Correção de ruídos e erros

A matemática que sustenta os algoritmos quânticos está bem estabelecida, mas ainda existem desafios de engenharia assustadores.

Para que os computadores funcionem corretamente, eles devem corrigir todos os pequenos erros aleatórios. Em um computador quântico, tais erros surgem dos elementos do circuito não ideais e da interação dos qubits com o ambiente ao seu redor. Por estas razões, os qubits podem perder coerência em uma fração de segundo e, portanto, o cálculo deve ser concluído em menos tempo ainda. Se os erros aleatórios – que são inevitáveis em qualquer sistema físico – não forem corrigidos, os resultados do computador serão inúteis.

Nos computadores clássicos, o pequeno ruído é corrigido aproveitando um conceito conhecido como thresholding. Trabalha como o arredondamento de números. Assim, na transmissão de inteiros onde se sabe que o erro é inferior a 0,5, se o que é recebido é 3,45, o valor recebido pode ser corrigido para 3.

Outros erros podem ser corrigidos introduzindo redundância. Assim se 0 e 1 são transmitidos como 000 e 111, então no máximo um bit-erro durante a transmissão pode ser corrigido facilmente: Um 001 recebido seria um interpretado como 0, e um 101 recebido seria interpretado como 1.

Os códigos de correção de erro quântico são uma generalização dos clássicos, mas há diferenças cruciais. Por um lado, as saídas desconhecidas não podem ser copiadas para incorporar a redundância como uma técnica de correção de erro. Além disso, os erros apresentam dentro dos dados entrantes antes que a codificação de correção de erro seja introduzida não pode ser corrigida.

Criptografia quântica

Embora o problema do ruído seja um sério desafio na implementação de computadores quânticos, não é assim na criptografia quântica, onde as pessoas estão lidando com saídas individuais, pois saídas individuais podem permanecer isoladas do ambiente por um período de tempo significativo. Usando criptografia quântica, dois usuários podem trocar os números muito grandes conhecidos como chaves, que protegem os dados, sem que ninguém consiga quebrar o sistema de troca de chaves. Essa troca de chaves poderia ajudar a proteger as comunicações entre os satélites e as naves navais. Mas o algoritmo de encriptação utilizado após a troca da chave continua a ser clássico, pelo que a encriptação não é teoricamente mais forte do que os métodos convencionais.

A criptografia quântica tem sido utilizada comercialmente num sentido limitado para transações bancárias de alto valor. Mas como as duas partes devem ser autenticadas usando protocolos clássicos, e como uma cadeia é tão forte quanto seu elo mais fraco, ela não é muito diferente dos sistemas existentes. Os bancos ainda estão usando um processo de autenticação clássico, que poderia ser usado para trocar chaves sem perda de segurança geral.

A tecnologia de criptografia quântica deve mudar seu foco para a transmissão quântica de informações se quiser se tornar significativamente mais segura do que as técnicas de criptografia existentes.

Desafios da computação quântica à escala comercial

Embora a criptografia quântica tenha alguma promessa se os problemas da transmissão quântica puderem ser resolvidos, duvido que o mesmo se aplique à computação quântica generalizada. A correção de erros, que é fundamental para um computador multiuso, é um desafio tão significativo em computadores quânticos que eu acredito que eles nunca serão construídos em escala comercial.