Quantum Echoes é um avanço rumo às aplicações práticas da computação quântica

Imagine tentar encontrar um navio perdido no fundo do oceano. Um sonar com processamento de sinal feito em computadores convencionais pode fornecer uma forma borrada e dizer: "Há um naufrágio lá embaixo". Mas e se você não apenas conseguisse encontrar o navio, mas também ler a placa de identificação em seu casco?

Esse é o tipo de precisão sem precedentes que acabamos de alcançar com nosso processador quântico Willow. Hoje, estamos anunciando um grande avanço algorítmico que marca um passo significativo em direção à primeira aplicação real e além da clássica da computação quântica. Demonstramos a primeira vantagem quântica verificável executando o algoritmo correlacionador de tempo fora de ordem (OTOC), que chamamos de Quantum Echoes.

Os Quantum Echoes são úteis para aprender a estrutura de sistemas quânticos, de moléculas a ímãs e buracos negros, e demonstramos que eles são executados 13.000 vezes mais rápido no Willow do que o melhor algoritmo clássico em um dos supercomputadores mais rápidos do mundo.

Em um experimento separado de prova de princípio, mostramos como nossa técnica pode usar dados de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) para obter mais informações sobre a estrutura química do que os métodos existentes, abrindo caminho para uma aplicação de curto prazo possível apenas em computadores quânticos. A RMN aprimorada por computação quântica pode se tornar uma ferramenta poderosa na descoberta de medicamentos, ajudando a determinar como medicamentos em potencial se ligam a seus alvos, ou na ciência de materiais para caracterizar a estrutura molecular de novos materiais, como polímeros, componentes de bateria ou até mesmo os materiais que compõem nossos bits quânticos (qubits).

Algoritmo Quantum Echoes, uma vantagem quântica verificável

Esta é a primeira vez na história que um computador quântico executa com sucesso um algoritmo repetível que supera a capacidade dos supercomputadores. Verificabilidade quântica significa que o resultado pode ser repetido em nosso computador quântico — ou qualquer outro do mesmo calibre — para obter a mesma resposta, confirmando o resultado. Essa computação repetível e além do clássico é a base para a verificação escalável, transformando computadores quânticos de novos objetos de estudo em ferramentas para descoberta científica.

Nossa nova técnica funciona como um eco altamente avançado. Enviamos um sinal cuidadosamente elaborado para nosso sistema quântico (qubits no chip Willow) e então revertemos precisamente sua evolução para ouvir o "eco" que retorna.

Esse eco quântico é especial porque é amplificado pela interferência construtiva — um fenômeno em que ondas quânticas se somam e se tornam mais fortes. Isso torna nossa medição incrivelmente sensível.

Este diagrama mostra o processo de quatro etapas para criar um eco quântico em nossa matriz de 105 qubits: executar operações para frente, perturbar um qubit, executar operações para trás e medir o resultado. A sobreposição do sinal revela como uma perturbação se espalha pelo chip Willow.

Esta implementação do algoritmo Quantum Echoes é possibilitada pelos avanços no hardware quântico do nosso chip Willow. No ano passado, a Willow provou seu poder com nosso benchmark Random Circuit Sampling, um teste projetado para medir a complexidade máxima do estado quântico. O algoritmo Quantum Echoes representa uma nova classe de desafio porque modela um experimento físico. Isso significa que esse algoritmo testa não apenas a complexidade, mas também a precisão no cálculo final. É por isso que chamamos isso de “quantum verificável”, o que significa que o resultado pode ser comparado e verificado por outro computador quântico de qualidade semelhante. Para oferecer precisão e complexidade, o hardware deve ter duas características principais: taxas de erro extremamente baixas e operações de alta velocidade.

Rumo à aplicação no mundo real

Os computadores quânticos serão fundamentais na modelagem de fenômenos da mecânica quântica, como as interações de átomos e partículas e a estrutura (ou forma) das moléculas. Uma das ferramentas que os cientistas usam para entender a estrutura química é a Ressonância Magnética Nuclear (RMN), a mesma ciência por trás da tecnologia de ressonância magnética. A RMN atua como um microscópio molecular, poderoso o suficiente para nos permitir ver a posição dos átomos, o que nos ajuda a entender a estrutura de uma molécula. Modelar a forma e a dinâmica das moléculas é fundamental na química, biologia e ciência dos Materiais, e os avanços que nos ajudam a fazer isso melhor têm sustentado o progresso em áreas que vão da biotecnologia à energia solar e fusão nuclear.

Em um experimento de RMN, os cientistas colocam uma molécula de amostra em um campo magnético. Os átomos na molécula são como pequenos ímãs que se alinham com esse campo e são então "invertidos" usando ondas de rádio. Quando o campo magnético é desligado, esses ímãs atômicos retornam ao seu estado original e liberam energia. Essa energia é medida em um experimento de RMN, e os cientistas usam modelagem computacional (clássica) para entender o que os padrões específicos de energia revelam sobre a estrutura da molécula.

Para algumas moléculas complexas, no entanto, o resultado de um experimento de RMN pode ser caótico e difícil de interpretar. Isso esconde detalhes estruturais importantes que os cientistas precisam ver. Como explicamos, o poder dos Ecos Quânticos está em sua capacidade de diagnosticar dinâmicas quânticas complexas, isolando sinais essenciais de ruídos indesejados para revelar interações sutis que são extremamente difíceis de detectar com técnicas clássicas. Podemos aplicar esse poder à RMN usando Ecos Quânticos no Willow para simular com mais precisão alguns tipos de dados de RMN do que seria possível em um computador clássico.

Em um experimento de prova de princípio para verificar essa abordagem, executamos o algoritmo Quantum Echoes em nosso chip Willow para estudar duas moléculas, uma com 9 átomos e outra com 15 átomos, em parceria com a UC Berkeley. Os resultados em nosso computador quântico corresponderam aos da RMN tradicional e revelaram informações normalmente não disponíveis na RMN, o que é uma validação crucial de nossa abordagem. Assim como o telescópio e o microscópio abriram mundos novos e nunca antes vistos, este experimento é um passo em direção a um "escopo quântico" capaz de medir fenômenos naturais antes não observáveis.

O que vem a seguir

Esta demonstração da primeira vantagem quântica verificável com nosso algoritmo Quantum Echoes marca um passo significativo em direção às primeiras aplicações reais da computação quântica.

Essas aplicações são provavelmente o primeiro exemplo de como a computação quântica aprimorará a IA clássica. Ao aprender a estrutura das moléculas por meio do aprendizado de máquina, nossos computadores quânticos podem gerar conjuntos de dados valiosos para treinar modelos clássicos mais poderosos e precisos. À medida que avançamos em direção a um computador quântico completo e com correção de erros, esperamos que muitas outras aplicações úteis do mundo real sejam inventadas. Agora, estamos focados em atingir o Marco 3 em nosso roteiro de hardware quântico , um qubit lógico de longa duração.