Computador quântico da IBM faz em 19 segundos tarefa estimada em 110 anos
Um experimento realizado com o processador quântico Nighthawk r2, da IBM, gerou 1 milhão de amostras em apenas 19 segundos em um teste que pesquisadores estimam que exigiria cerca de 110 anos de processamento em um supercomputador. O resultado foi obtido por meio da plataforma comercial de computação quântica em nuvem da IBM e representa uma demonstração de vantagem quântica em um benchmark específico.
O estudo foi conduzido por pesquisadores da BlueQubit e publicado como preprint no arXiv. O trabalho ainda não passou por revisão por pares, o que significa que seus métodos e conclusões continuam sujeitos à avaliação independente da comunidade científica.
Vantagem quântica é o termo utilizado para descrever situações em que um computador quântico consegue executar determinada tarefa significativamente mais rápido do que os melhores métodos clássicos conhecidos para aquele problema. Isso não significa que computadores quânticos sejam mais rápidos em todas as tarefas. A vantagem depende do problema, do algoritmo utilizado e da qualidade do processamento quântico.
Nighthawk r2 tem 120 qubits
O Nighthawk r2 é um processador quântico supercondutor da IBM equipado com 120 qubits programáveis. A arquitetura também possui 218 acopladores e 120 elementos independentes de reset dos qubits, totalizando 458 elementos físicos quânticos. Segundo a IBM, o sistema consegue executar mais de 100 mil circuitos por segundo graças principalmente ao seu mecanismo de reset rápido.
Para o experimento publicado no arXiv, os pesquisadores não utilizaram os 120 qubits disponíveis. Foram selecionados 61 qubits conectados por 102 acopladores, formando a estrutura utilizada para os circuitos aleatórios.
O que foi feito em apenas 19 segundos?
O experimento utilizou uma técnica conhecida como random circuit sampling, ou amostragem de circuito aleatório. O método consiste em executar repetidamente um circuito quântico formado por operações escolhidas de maneira pseudoaleatória e registrar os resultados obtidos na medição dos qubits.
Quanto mais qubits e operações são envolvidos, mais complexa se torna a distribuição estatística produzida pelo circuito. Um computador clássico precisa realizar uma quantidade crescente de cálculos para reproduzir essa distribuição, enquanto o processador quântico pode executar diretamente o circuito físico e coletar os resultados.
O melhor resultado do experimento ocorreu com um circuito de 36 ciclos. Nessa configuração, os 61 qubits foram submetidos a 918 portas de dois qubits, incluindo operações CZ responsáveis por criar correlações quânticas entre as unidades. O Nighthawk r2 produziu 1 milhão de amostras em 19 segundos de tempo de processamento no QPU.
Um qubit é a unidade básica de informação de um computador quântico. Enquanto um bit clássico normalmente representa 0 ou 1, um qubit pode existir em uma combinação de estados chamada superposição. Além disso, qubits podem ser entrelaçados, criando correlações que não possuem equivalente direto na computação clássica. Esses fenômenos permitem que determinados algoritmos quânticos explorem espaços de possibilidades de maneira diferente dos computadores convencionais.
O teste foi feito em um computador quântico disponível na nuvem
Um dos aspectos mais interessantes do estudo é que os pesquisadores não utilizaram um equipamento experimental criado exclusivamente para a pesquisa. O circuito foi executado no Nighthawk r2 por meio do fluxo padrão de computação quântica em nuvem da IBM.
O processador está disponível na plataforma IBM Quantum, permitindo que usuários externos enviem circuitos para execução. O estudo utilizou o ambiente padrão de execução e não aplicou uma calibração específica criada exclusivamente para esse benchmark.
Isso torna o experimento particularmente interessante para a discussão sobre reprodutibilidade. Os pesquisadores também disponibilizaram os circuitos, os dados obtidos e o código utilizado para estimar o custo da simulação clássica.
Como surgiu a estimativa de 110 anos?
A cifra de aproximadamente 110 anos não veio de uma execução real do mesmo experimento em um supercomputador. Seria impraticável esperar mais de um século para realizar uma medição direta. Em vez disso, os pesquisadores estimaram quanto processamento clássico seria necessário para reproduzir a tarefa utilizando uma técnica conhecida como contração de redes tensoriais.
Essa abordagem representa o circuito quântico como uma rede de tensores matemáticos que podem ser combinados em diferentes ordens. O objetivo é calcular as probabilidades associadas aos resultados que o circuito pode produzir. À medida que o circuito cresce, os cálculos intermediários podem se tornar extremamente grandes.
Para o circuito de 36 ciclos analisado no estudo, os pesquisadores estimaram um custo de aproximadamente 1022 operações complexas para calcular uma única amplitude. Considerando o processo necessário para gerar 1 milhão de amostras com qualidade comparável à do experimento quântico, o trabalho estima cerca de 1,2 × 1027 operações de máquina.
Quando essa quantidade é relacionada ao desempenho estimado do supercomputador Frontier, o resultado chega a aproximadamente 110 anos. A tabela do próprio estudo apresenta um valor de cerca de 108 anos, diferença atribuída ao arredondamento.
Contração de redes tensoriais é uma técnica utilizada para simular circuitos quânticos em computadores clássicos. O circuito é representado como uma rede de objetos matemáticos chamados tensores, e esses objetos são combinados progressivamente para calcular os resultados. A ordem escolhida para realizar as contrações influencia diretamente a quantidade de memória e processamento necessários.
Os 110 anos não são um limite absoluto
É importante interpretar corretamente a comparação. Os aproximadamente 110 anos não representam uma barreira fundamental da computação clássica nem significam que qualquer computador convencional precisaria desse tempo para resolver o problema.
A estimativa depende do método de simulação utilizado, das condições assumidas pelos pesquisadores e da forma como a tarefa é definida. O estudo considera, por exemplo, uma determinada estratégia de contração de redes tensoriais e um modelo específico para gerar amostras com fidelidade comparável à observada no processador quântico.
Os próprios autores reconhecem que novas técnicas clássicas podem reduzir o custo calculado. Melhorias na ordem das contrações, reutilização de resultados intermediários, aproximações matemáticas e outras técnicas de simulação podem diminuir significativamente a quantidade de trabalho necessária.
Isso já aconteceu em outros experimentos de vantagem quântica. Depois de resultados quânticos serem publicados, pesquisadores frequentemente desenvolvem algoritmos clássicos mais eficientes capazes de reduzir a diferença inicialmente estimada.
O que significa a fidelidade do resultado?
Executar 1 milhão de medições rapidamente não seria suficiente para demonstrar vantagem quântica se os resultados fossem dominados por erros. Por isso, o estudo também avaliou a fidelidade do circuito, procurando determinar quanto do comportamento esperado do circuito ideal permaneceu presente nas medições reais.
Os pesquisadores utilizaram dois métodos independentes de estimativa, chamados mirror benchmarking e cross-entropy benchmarking em três e quatro regiões do circuito. Os resultados dos diferentes métodos apresentaram concordância ao longo das profundidades avaliadas.
No circuito de 36 ciclos, o estudo reportou um valor de XEB de aproximadamente 2,3 × 10-3. Esse número não significa que apenas 0,23% das medições estavam corretas. Trata-se de uma métrica estatística utilizada para avaliar a fidelidade da distribuição produzida pelo circuito quântico em relação ao comportamento esperado.
19 segundos não representam todo o tempo do experimento
Outro detalhe importante é que os 19 segundos correspondem ao tempo de processamento do QPU utilizado para produzir o conjunto principal de 1 milhão de amostras. Esse número não representa necessariamente o intervalo entre o envio do trabalho para a nuvem e o recebimento dos resultados.
O experimento completo incluiu execuções adicionais destinadas a verificar a qualidade dos circuitos e os resultados. Somando as diferentes etapas, os pesquisadores utilizaram aproximadamente 11 minutos de tempo total de processamento no QPU.
Assim, a comparação correta é entre os 19 segundos necessários para a execução quântica do circuito principal e a estimativa do tempo de processamento clássico para reproduzir uma tarefa equivalente sob as condições definidas no estudo.
Resultado foi reproduzido no mesmo processador
Um aspecto que aumenta o interesse pelo experimento é que terceiros conseguiram posteriormente executar o mesmo circuito publicado pela equipe no processador Nighthawk r2 disponível na nuvem da IBM.
Uma reprodução realizada por terceiros utilizou o mesmo sistema ibm_phoenix, a mesma configuração de 61 qubits e o circuito de 36 ciclos. O resultado também registrou aproximadamente 19 segundos de tempo de processamento para obter 1 milhão de amostras.
Essa reprodução confirma de forma independente o aspecto relacionado ao tempo de execução do circuito no processador quântico. Ela, porém, não equivale a uma revisão por pares nem representa uma repetição independente de todas as análises de fidelidade e da estimativa de custo clássico apresentadas no estudo original.
Por que esse experimento é diferente de uma aplicação prática?
Apesar da comparação entre 19 segundos e 110 anos ser impressionante, o teste não significa que a IBM tenha realizado em 19 segundos uma tarefa prática que normalmente levaria mais de um século. O experimento foi construído especificamente como um benchmark para estudar a capacidade de computadores quânticos em relação à simulação clássica.
Não se trata, por exemplo, de descobrir um medicamento, projetar um material, otimizar uma rota logística ou quebrar uma criptografia em 19 segundos. A tarefa foi gerar amostras de um circuito quântico aleatório com determinadas características e comparar o custo estimado de reproduzir esse comportamento usando um método clássico.
Esse tipo de benchmark é importante porque ajuda pesquisadores a identificar regiões em que computadores quânticos começam a produzir resultados difíceis de reproduzir em máquinas tradicionais. O desafio seguinte é descobrir se essas vantagens podem ser transformadas em aplicações úteis no mundo real.
Nighthawk r2 representa avanço na velocidade dos processadores quânticos
Além do resultado específico do experimento, o Nighthawk r2 representa uma evolução importante na capacidade de execução repetida de circuitos quânticos. Segundo a IBM, seu sistema de reset independente e de alta velocidade permite executar mais de 100 mil circuitos por segundo, até 25 vezes mais circuitos do que a geração Heron utilizada como referência pela empresa.
O processador mantém 120 qubits programáveis, mas adiciona componentes dedicados para acelerar o retorno dos qubits ao estado inicial entre as execuções. Isso é particularmente importante em experimentos que precisam repetir o mesmo circuito muitas vezes para coletar grandes quantidades de amostras.
Em um computador quântico, os qubits precisam ser preparados antes de cada execução. O reset rápido reduz o tempo necessário para colocá-los novamente em uma condição conhecida, permitindo executar mais circuitos em determinado intervalo. Isso é especialmente útil em tarefas estatísticas, nas quais o mesmo circuito precisa ser executado milhares ou milhões de vezes para produzir uma quantidade suficiente de amostras.
O que ainda precisa ser comprovado?
O resultado é relevante, mas ainda existem questões em aberto. A primeira é a revisão por pares do estudo, que poderá avaliar de maneira independente os métodos utilizados e as conclusões apresentadas.
A segunda envolve a comparação clássica. Como os 110 anos são uma estimativa baseada em um determinado método, futuras técnicas de simulação podem reduzir esse número. Para avaliar a vantagem quântica de maneira mais completa, é necessário comparar o processador com os melhores métodos clássicos disponíveis para a mesma tarefa e com critérios equivalentes de qualidade e quantidade de amostras.
Também será importante observar se outros pesquisadores conseguem reproduzir não apenas os 19 segundos de execução, mas também resultados de fidelidade comparáveis no mesmo circuito.
Uma demonstração importante, mas ainda específica
O experimento do Nighthawk r2 mostra uma situação em que um processador quântico comercialmente acessível consegue executar um benchmark de amostragem aleatória em uma escala cuja reprodução clássica, segundo a estimativa publicada, seria extremamente custosa.
O dado de 19 segundos é uma medição real do tempo de processamento quântico. Já os aproximadamente 110 anos representam uma estimativa baseada em uma estratégia específica de simulação clássica e em determinadas condições de desempenho. As duas cifras, portanto, não devem ser interpretadas como uma comparação geral entre computadores quânticos e supercomputadores.
O ponto mais interessante talvez seja a possibilidade de reprodução. O circuito, os dados e os códigos utilizados no estudo foram disponibilizados publicamente, enquanto o Nighthawk r2 pode ser acessado pela plataforma de computação quântica da IBM. Isso permite que pesquisadores e desenvolvedores investiguem tanto a reprodução do resultado quântico quanto a possibilidade de reduzir a estimativa de custo do lado clássico.
Se os resultados de fidelidade forem confirmados por diferentes equipes e os métodos clássicos não conseguirem reduzir substancialmente o custo estimado, o experimento poderá se consolidar como uma demonstração importante de vantagem quântica em um processador comercial. Por enquanto, porém, o resultado deve ser entendido como uma demonstração experimental específica e ainda em processo de avaliação científica.
