Chip Willow do Google: A física da verdadeira supremacia quântica

É um número tão grande que o cérebro humano não consegue compreendê-lo: 10 septilhões de anos.

Isso equivale a $10^{25} anos. Para contextualizar, o universo tem apenas cerca de \13,8$ bilhões de anos. Se você iniciasse um cálculo no supercomputador mais poderoso do mundo (atualmente o sistema exascale Frontier) no momento do Big Bang, ainda estaria a menos de 0,000000001% do caminho para resolver o problema hoje.

O novo processador quântico do Google, Willow, concluiu esse cálculo em menos de cinco minutos.

Isso serve de manchete para a mais recente afirmação do Google de “Supremacia Quântica”, um termo que descreve o limite onde um computador quântico pode realizar uma tarefa que é praticamente impossível para qualquer computador clássico. Mas embora a velocidade seja estonteante, na verdade é a parte menos interessante do anúncio. A verdadeira história, aquela que mudará a trajetória da tecnologia humana, está escondida no ruído.

Pela primeira vez, o Google demonstrou que adicionar mais qubits a um processador pode realmente reduzir a taxa de erro, em vez de aumentá-la. Este é o “Santo Graal” da mecânica quântica, um avanço na correção quântica de erros (QEC) que abre caminho de brinquedos experimentais a máquinas que mudam o mundo.

The Hook: Por que isso é importante agora

Por décadas, a computação quântica ficou presa na era “NISQ”, Noisy Intermediate-Scale Quantum.

Nesta época, construir um computador quântico era como tentar construir um castelo de cartas num túnel de vento. Você poderia adicionar mais cartões (qubits) para aumentar a estrutura, mas quanto maior ela ficava, mais instável ela se tornava. O “vento” (ruído ambiental, calor, radiação) inevitavelmente colapsaria o estado quântico (decoerência) antes que qualquer cálculo útil pudesse ser concluído.

Os críticos, incluindo muitos físicos proeminentes, argumentaram que esta poderia ser uma lei fundamental da natureza. Eles sugeriram que, à medida que você ampliasse um sistema quântico, o ruído aumentaria exponencialmente, impedindo para sempre a computação útil.

Willow provou que eles estavam errados.

Com 105 qubits, Willow não é apenas maior que seu antecessor, Sycamore (53 qubits). É exponencialmente mais silencioso. O Google demonstrou que, ao coletar dados de vários qubits físicos para formar uma instrução lógica, eles podem reduzir a taxa de erros à medida que o sistema aumenta.

Este é o “momento do transistor” para a computação quântica. Assim como o tubo de vácuo deu lugar ao transistor confiável, a indústria agora está mudando de qubits barulhentos e frágeis para qubits estáveis ​​e com correção de erros.

Aprofundamento Técnico: A Física do Salgueiro

Para entender por que Willow é uma obra-prima da engenharia, é preciso observar a física do Transmon Qubit.

1. A Arquitetura

Willow usa 105 qubits supercondutores dispostos em uma grade específica. Ao contrário dos bits do seu laptop, que são transistores microscópicos gravados em silício, esses qubits são circuitos macroscópicos feitos de metais supercondutores (geralmente alumínio ou nióbio) resfriados até perto do zero absoluto (cerca de 20 miliKelvin).

Nessas temperaturas, o metal perde toda a resistência elétrica. Os elétrons emparelham-se em “pares de Cooper” e fluem sem atrito. Isso permite que o circuito se comporte como um único átomo artificial. Ao manipular este circuito com pulsos de micro-ondas, os engenheiros podem forçá-lo a um estado de superposição, sendo “0” e “1” simultaneamente.

2. O problema do ruído

O problema é que estes átomos artificiais são incrivelmente sensíveis. Um fóton perdido, uma flutuação magnética ou mesmo um raio cósmico atingindo o chip pode causar “decoerência”, colapsando a superposição e arruinando o cálculo.

Nos chips anteriores, adicionar mais qubits adicionava mais caminhos para a propagação de erros. Se uma máquina de 50 qubits tivesse uma taxa de precisão de 99% por etapa, uma máquina de 100 qubits poderia cair para 50% ou menos simplesmente porque há mais pontos de falha.

3. O efeito “Zeno” e correção de erros

Willow apresenta um novo esquema para correção de erros em tempo real. Ele efetivamente agrupa qubits físicos para votar no estado correto.

A descoberta baseia-se num conceito semelhante ao Efeito Zenão Quântico, onde a observação frequente de um sistema pode “congelar” a sua evolução ou, neste caso, detectar erros antes que se espalhem. Willow mede a “paridade” dos qubits vizinhos, verificando se eles são iguais ou diferentes, sem realmente medir os próprios qubits (o que destruiria os dados).

Se o sistema detectar um erro (como uma mudança de bit), ele poderá aplicar uma correção em tempo real. Os dados mostram que à medida que o Google escalou a distância do código (o número de qubits físicos que apoiam um qubit lógico), a taxa de erro caiu exponencialmente.

Isso confirma que A correção de erros quânticos funciona. Um qubit lógico agora pode durar mais que os qubits físicos que o compõem. É um desafio de engenharia, não uma impossibilidade física.

O benchmark: amostragem aleatória de circuitos

A tarefa executada por Willow é chamada Amostragem de Circuito Aleatório (RCS).

RCS é essencialmente um teste de estresse. O computador recebe uma sequência aleatória de portas quânticas (operações) para aplicar aos seus qubits e deve gerar uma sequência de bitstrings que corresponda à distribuição estatística desse circuito aleatório.

É um cálculo inútil, que não simula nada e não diz nada aos pesquisadores sobre o universo. É escolhido especificamente porque é extremamente difícil para um computador clássico.

• Dificuldade Clássica: Para simular um sistema quântico de $N$ qubits, um computador clássico precisa de $2^N$ bytes de memória. Para 53 qubits (Sycamore), eram petabytes. Para 105 qubits (Willow), o requisito de memória excede o número de átomos no universo visível.
• Desempenho do Willow: Willow pode executar esses circuitos nativamente porque é o sistema que está sendo simulado.

Quando o Google diz “10 septilhões de anos”, eles querem dizer que levaria eras para verificar estatisticamente a saída dos circuitos complexos de Willow usando os algoritmos clássicos mais inteligentes conhecidos hoje no maior supercomputador.

Porém, vale destacar a rivalidade aqui. A IBM argumenta frequentemente que o RCS é um “truque de partido” e que estes prazos teóricos podem ser reduzidos por aproximações clássicas inteligentes. Mas mesmo com os métodos mais generosos de “rede de tensores” usados ​​por algoritmos clássicos eficientes, Willow permanece efetivamente fora de alcance.

História Contextual: O Caminho do Sycamore

A jornada para Willow foi difícil.

• 2019 (Sycamore): Google reivindica Supremacia Quântica com 53 qubits. O cálculo levou 200 segundos, contra os 10 mil anos estimados para um supercomputador. A IBM imediatamente refutou, alegando que poderia fazer isso em 2,5 dias em seu supercomputador Summit usando armazenamento em disco rígido. A afirmação foi controversa.
• 2021-2023 (The IBM Eagle & Osprey): A IBM aumentou a contagem de qubits puros, lançando chips com 127 e depois 433 qubits. No entanto, o Google argumentou que quantidade sem qualidade não fazia sentido. Um chip de 433 qubits com altas taxas de erro é apenas um gerador de números aleatórios.
• 2024 (Willow): O Google contra-ataca. Eles não optaram por 1.000 qubits. Eles optaram por 105 qubits melhores.

Isso sinaliza uma divergência na filosofia. A IBM está pressionando pela “Escala de Utilidade” (resolvendo problemas menores e úteis agora com mitigação de erros), enquanto o Google está pressionando pela “Tolerância a Falhas” (provando primeiro a física da correção de erros). Willow sugere que a aposta do Google na física está valendo a pena.

Análise prospectiva: o “código vermelho” para criptografia?

Sempre que ocorre um avanço quântico, a primeira pergunta é: “O Bitcoin é seguro?”

O medo decorre do Algoritmo de Shor, um método quântico que pode fatorar grandes números primos exponencialmente mais rápido do que os computadores clássicos. Como a criptografia RSA (que protege sua conta bancária e o tráfego da web) depende da dificuldade de fatorar números primos, um computador quântico poderoso poderia, teoricamente, quebrar a Internet.

A resposta: você está seguro… por enquanto.

Para executar o algoritmo de Shor em uma chave RSA de 2.048 bits, você não precisa apenas de 2.048 qubits. Você precisa de 2.048 qubits perfeitos e lógicos. Devido à necessidade de correção de erros, cada qubit lógico pode exigir 1.000 qubits físicos.

Isso requer uma máquina com aproximadamente 20 milhões de qubits físicos. O Google tem 105.

A indústria ainda está muito longe do “Dia Q” (o dia em que os computadores quânticos quebram a criptografia). No entanto, Willow força uma atualização nos cronogramas.

• Antes de Willow: Os físicos temiam que as taxas de erro saturassem, o que significa que a humanidade poderia nunca atingir 20 milhões de qubits coerentes.
• Depois de Willow: Está comprovado que a correção de erros funciona. Não é mais um problema de física; é um problema de engenharia.

O verdadeiro impacto imediato: simulação

Muito antes de decifrar códigos, chips como o Willow (e seus sucessores) revolucionarão a simulação.

• Fixação de nitrogênio tipo P: A produção de amônia para fertilizantes consome 2% da energia mundial. Requer alto calor e pressão (processo Haber-Bosch). As bactérias fazem isso à temperatura ambiente usando nitrogenase. Os computadores clássicos atuais não podem simular a nitrogenase porque as interações eletrônicas são muito complexas. Um computador quântico poderia modelá-lo sem esforço, levando à produção localizada de fertilizantes verdes.
• Química de Baterias: O projeto de novos eletrólitos para baterias de metal-lítio envolve a simulação de ligações moleculares complexas. Os chips da classe Willow podem encontrar os materiais que dobram o alcance EV.

O resultado final

O chip Willow do Google não irá extrair todos os Bitcoins amanhã nem ler seus e-mails criptografados. Se você julgar pela sua capacidade de executar Excel ou Doom, é inútil.

Mas a tecnologia raramente é julgada pelo que o protótipo pode fazer; é julgado pelo caminho que abre.

Por 40 anos, a computação quântica tem sido uma disciplina teórica. Era matemática no quadro-negro, discutindo sobre o que poderia acontecer se os pesquisadores conseguissem controlar a natureza em escala atômica. Willow é a prova de que o quadro-negro estava certo. A porta para o reino quântico não está mais apenas destrancada; foi aberto com um chute. A única questão agora é quão rápido a indústria poderá superar isso.

Fontes (2)

• blog.google Google Quantum AI Blog
• nature.com Quantum Error Correction