Willow: o novo chip quântico da Google que supera um supercomputador em 10^25 anos de cálculo

A Google acaba de apresentar, através do blogue da própria empresa, o Willow, o chip quântico mais recente do gigante tecnológico. O Willow tem um desempenho de última geração em diversas métricas, possibilitando duas importantes conquistas.

• A primeira é que pode reduzir os erros exponencialmente à medida que se aumentam a escala, usando mais qubits. Isto resolve um desafio importante na correção de erros quânticos que a Google tem vindo a perseguir há quase 30 anos.
• Em segundo lugar, o Willow realizou um benchmark padrão de computação, em menos de 5 minutos, e que demoraria a um dos supercomputadores mais rápidos da atualidade 10 quatriliões  (ou seja, 10^25) de anos – um número que excede largamente a idade do Universo.

O Willow é um passo importante numa viagem que começou há mais de dez anos. Quando se fundou o Google Quantum AI, em 2012, o objetivo era construir um computador quântico útil e de larga escala, que pudesse aproveitar a mecânica quântica – que não é mais do que o “sistema operativo” da Natureza (na medida em que conhecemos hoje). O intuito era beneficiar a sociedade através do avanço da descoberta científica, como desenvolver aplicações úteis e enfrentar alguns dos maiores desafios da sociedade. Como parte da Google Research, a equipa traçou um roadmap a longo prazo, e o Willow leva-nos por esse caminho em direção a aplicações comercialmente relevantes.

Correção exponencial de erros quânticos – abaixo do limiar

Os erros são dos maiores desafios da computação quântica, uma vez que os qubits, as unidades de computação nos computadores quânticos, tendem a trocar informações rapidamente com o seu ambiente, o que torna difícil proteger as informações necessárias para completar a computação. Normalmente, quanto mais qubits se utilizarem, mais erros irão ocorrer e o sistema torna-se clássico.

Hoje, na Nature, publicámos resultados que mostram que quanto mais qubits se usam no Willow, mais se reduzem os erros e mais quântico se torna o sistema. Por outras palavras, conseguiu-se uma redução exponencial da taxa de erro. Este marco histórico é conhecido na área como “abaixo do limiar” – sendo capaz de reduzir os erros enquanto se aumenta o número de qubits.

10 septilhões de anos no supercomputador mais rápido de hoje

Como medida do desempenho do Willow, utilizou-se o benchmark de amostragem de circuitos aleatórios (RCS). Lançado inicialmente pela equipa Google e utilizado, agora, amplamente como padrão na área, o RCS é o benchmark classicamente mais difícil que pode ser feito, hoje, num computador quântico. Pode-se pensar nisto como um ponto de entrada para a computação quântica: verifica-se se um computador quântico está a fazer algo que não poderia ser feito num computador clássico.

Qualquer equipa que esteja a construir um computador quântico deve primeiro verificar se consegue ultrapassar os computadores clássicos no RCS, caso contrário, haverá fortes motivos para ceticismo quanto à capacidade para lidar com tarefas quânticas mais complexas.

O desempenho do Willow neste benchmark é surpreendente: realizou um cálculo em menos de 5 minutos que levaria 10^25 ou 10 quadriliões de anos num dos supercomputadores mais rápidos da atualidade. Se quiser escrever, são 10.000.000.000.000.000.000.000.000 de anos. Este número incompreensível excede as escalas de tempo conhecidas na física e ultrapassa enormemente a idade do universo. Isto dá credibilidade à noção de que a computação quântica ocorre em muitos universos paralelos, em linha com a ideia de que vivemos num multiverso, uma previsão feita, pela primeira vez, por David Deutsch.

Desempenho de última geração

O Willow, foi fabricado nas novas instalações de fabrico de última geração em Santa Bárbara, na California, nos Estados Unidos. A engenharia de sistemas é fundamental para projetar e fabricar processadores quânticos. Todos os componentes de um chip, como as portas de qubit único e de dois qubits, a reposição de qubits e a leitura, devem ser, simultaneamente, bem concebidos e integrados. Se algum componente se atrasar ou se dois componentes não funcionarem bem, em conjunto, isso irá prejudicar o desempenho do sistema. Por isso, a maximização do desempenho do sistema informa todos os aspetos do processo, desde a arquitetura e fabrico do chip até ao desenvolvimento e calibração da porta. A

No seu blogue, a Google assume estra a concentrar-se na qualidade, não apenas na quantidade – porque produzir apenas um maior número de qubits não ajuda se não tiverem qualidade suficiente.

O que vem a seguir com Willow e depois

O próximo desafio imediato para a Google e para a área é, segundo os próprios no blog da marca, demonstrar uma primeira computação “pós-clássica útil” nos chips quânticos atuais que seja relevante para uma aplicação no mundo real. “Estamos otimistas de que a nossa nova linha de processadores Willow nos possa ajudar a atingir este objetivo. Até agora, houve dois tipos de experiências distintas. Por um lado, executámos o benchmark RCS, que mede o desempenho em relação aos computadores clássicos, mas não tem aplicações conhecidas no mundo real. Por outro lado, fizemos simulações cientificamente interessantes de sistemas quânticos, que levaram a novas descobertas científicas, mas que estão ainda ao alcance dos computadores clássicos. O nosso objetivo é fazer as duas coisas ao mesmo tempo – entrar no reino dos algoritmos que estão fora do alcance dos computadores clássicos e que são úteis para problemas comercialmente relevantes no mundo real.”