O nosso algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes) é um grande passo em direção a aplicações no mundo real para a computação quântica

Nota do editor: hoje, anunciamos uma investigação que mostra, pela primeira vez na história, que um computador quântico pode executar com êxito um algoritmo verificável em hardware, ultrapassando até os supercomputadores clássicos mais rápidos (13,000 vezes mais rápido). Pode calcular a estrutura de uma molécula e abre caminho para aplicações no mundo real. O avanço de hoje baseia-se em décadas de trabalho e 6 anos de grandes avanços. Em 2019, demonstrámos que um computador quântico podia resolver um problema que levaria milhares de anos ao supercomputador clássico mais rápido. Depois, no final do ano passado (2024), o nosso novo chip quântico Willow mostrou como suprimir drasticamente os erros, resolvendo um problema importante que desafiou os cientistas durante quase 30 anos. A descoberta de hoje aproxima-nos muito mais dos computadores quânticos que podem impulsionar grandes descobertas em áreas como a medicina e a ciência dos materiais.

Imagine que está a tentar encontrar um navio perdido no fundo do oceano. A tecnologia de sonar pode dar-lhe uma forma desfocada e dizer-lhe: "Há um naufrágio ali em baixo." Mas e se pudesse não só encontrar o navio, mas também ler a placa de identificação no seu casco?

É este o tipo de precisão sem precedentes que acabámos de alcançar com o nosso chip quântico Willow. Hoje, anunciamos um grande avanço algorítmico que marca um passo significativo em direção a uma primeira aplicação no mundo real. Acabámos de publicar na Nature a primeira demonstração de sempre de uma vantagem quântica verificável, executando o algoritmo de correlação temporal fora de ordem (OTOC), que chamamos de Ecos Quânticos (Quantum Echoes).

O Ecos Quânticos (Quantum Echoes) é útil para aprender a estrutura dos sistemas na natureza, desde moléculas a ímanes e buracos negros, e demonstrámos que é 13,000 vezes mais rápido no Willow do que o melhor algoritmo clássico num dos supercomputadores mais rápidos do mundo.

Numa experiência separada de prova de princípio, Quantum computation of molecular geometry via many-body nuclear spin echoes (que vai ser publicado no arXiv ainda hoje), mostrámos como a nossa nova técnica, uma "régua molecular", pode medir distâncias mais longas do que os métodos atuais, usando dados de ressonância magnética nuclear (RMN) para obter mais informações sobre a estrutura química.

O algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes), uma vantagem quântica verificável

Esta é a primeira vez na história que um computador quântico executa com êxito um algoritmo verificável que ultrapassa a capacidade dos supercomputadores. A verificabilidade quântica significa que o resultado pode ser repetido no nosso computador quântico, ou em qualquer outro do mesmo calibre, para obter a mesma resposta, confirmando o resultado. Esta computação repetível e para além da clássica é a base para a verificação escalável, aproximando os computadores quânticos de se tornarem ferramentas para aplicações práticas.

A nossa nova técnica funciona como um eco altamente avançado. Enviamos um sinal cuidadosamente elaborado para o nosso sistema quântico (qubits no chip Willow) e, em seguida, invertemos precisamente a sua evolução para ouvir o "eco" que regressa.

Este eco quântico é especial porque é amplificado pela interferência construtiva, um fenómeno em que as ondas quânticas se somam para se tornarem mais fortes. Isto torna a nossa medição incrivelmente sensível.

Esta implementação do algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes) é possível graças aos avanços no hardware quântico do nosso chip Willow. No ano passado, o Willow provou o seu poder com o nosso benchmark Random Circuit Sampling, um teste concebido para medir a complexidade máxima do estado quântico. O algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes) representa uma nova classe de desafio porque modela uma experiência física. Isto significa que este algoritmo testa não só a complexidade, mas também a precisão no cálculo final. É por isso que lhe chamamos "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 tem de ter 2 caraterísticas principais: taxas de erro extremamente baixas e operações de alta velocidade.

Rumo à aplicação no mundo real

Os computadores quânticos vão ser fundamentais na modelagem de fenómenos de mecânica quântica, como as interações de átomos e partículas e a estrutura (ou forma) das moléculas. Uma das ferramentas que os cientistas usam para compreender a estrutura química é a ressonância magnética nuclear (RMN), a mesma ciência por detrás da tecnologia de ressonância magnética. A RMN atua como um microscópio molecular, suficientemente potente para nos permitir ver a posição relativa dos átomos, o que nos ajuda a compreender a estrutura de uma molécula. A modelação da forma e da dinâmica das moléculas é fundamental na química, na biologia e na ciência dos materiais, e os avanços que nos ajudam a fazê-lo melhor sustentam o progresso em domínios que vão da biotecnologia à energia solar e à fusão nuclear.

Numa experiência de prova de princípio em parceria com a Universidade da Califórnia, Berkeley, executámos o algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes) no nosso chip Willow para estudar duas moléculas, uma com 15 átomos e outra com 28 átomos, para verificar esta abordagem. Os resultados do nosso computador quântico corresponderam aos da RMN tradicional e revelaram informações que normalmente não estão disponíveis na RMN, o que é uma validação crucial da nossa abordagem.

Tal como o telescópio e o microscópio abriram novos mundos nunca antes vistos, esta experiência é um passo em direção a um "quantum-scope" capaz de medir fenómenos naturais anteriormente não observáveis. A RMN melhorada por computação quântica pode tornar-se uma ferramenta poderosa na descoberta de medicamentos, ajudando a determinar como os potenciais medicamentos se ligam aos seus alvos, ou na ciência dos materiais para caracterizar a estrutura molecular de novos materiais, como polímeros, componentes de baterias ou mesmo os materiais que compõem os nossos bits quânticos (qubits).

O que se segue

Esta demonstração da primeira vantagem quântica verificável de sempre com o nosso algoritmo Ecos Quânticos (Quantum Echoes) marca um passo significativo em direção às primeiras aplicações do mundo real da computação quântica. À medida que aumentamos a escala para um computador quântico de grande escala e com correção de erros, esperamos que sejam inventadas muitas mais aplicações úteis no mundo real. Agora, estamos focados em alcançar o marco 3 no nosso plano de desenvolvimento de hardware quântico, um qubit lógico de longa duração.