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.

São $10^{25}$ anos. Para efeito de comparação, o universo tem apenas cerca de $13.8$ bilhões de anos. Se você tivesse iniciado um cálculo no supercomputador mais poderoso do mundo (atualmente o sistema exascale Frontier) no momento do Big Bang, ainda estaria hoje com menos de 0,000000001% do problema concluído.

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

Essa é a manchete da mais recente alegação do Google de “Supremacia Quântica”, termo que descreve o limite a partir do qual um computador quântico consegue realizar uma tarefa praticamente impossível para qualquer computador clássico. Mas, por mais deslumbrante que seja a velocidade, ela é a parte menos interessante do anúncio. A verdadeira história, aquela que vai mudar a trajetória da tecnologia humana, está escondida no ruído.

Pela primeira vez, o Google demonstrou que adicionar mais qubits a um processador pode, na verdade, reduzir a taxa de erro, em vez de aumentá-la. Esse é o “Santo Graal” da mecânica quântica, um avanço em Correção de Erros Quânticos (QEC, na sigla em inglês) que abre caminho para que brinquedos experimentais se tornem máquinas capazes de transformar o mundo.

O gancho: por que isso importa agora

Durante décadas, a computação quântica ficou presa à era “NISQ”, sigla de Noisy Intermediate-Scale Quantum (quântica ruidosa de escala intermediária).

Nessa era, construir um computador quântico era como tentar montar um castelo de cartas dentro de um túnel de vento. Era possível acrescentar mais cartas (qubits) para aumentar a estrutura, mas, quanto maior ela ficava, mais instável se tornava. O “vento” (ruído ambiental, calor, radiação) inevitavelmente fazia o estado quântico colapsar (decoerência) antes que qualquer cálculo útil pudesse ser concluído.

Críticos, incluindo muitos físicos de destaque, argumentavam que isso poderia ser uma lei fundamental da natureza. Sugeriam que, à medida que um sistema quântico cresce, o ruído aumentaria exponencialmente, impedindo para sempre qualquer computação útil.

O Willow provou que eles estavam errados.

Com 105 qubits, o Willow não é apenas maior que seu antecessor, o Sycamore (53 qubits). Ele é exponencialmente mais silencioso. O Google demonstrou que, ao reunir dados de vários qubits físicos para formar uma instrução lógica, é possível reduzir a taxa de erro à medida que o sistema cresce.

Este é o “momento transistor” da computação quântica. Assim como a válvula a vácuo deu lugar ao transistor confiável, a indústria agora está passando de qubits ruidosos e frágeis para qubits estáveis e com correção de erros.

Mergulho técnico: a física do Willow

Para entender por que o Willow é uma obra-prima de engenharia, é preciso olhar para a física do qubit transmon.

1. A arquitetura

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

Nessas temperaturas, o metal perde toda a resistência elétrica. Os elétrons formam “pares de Cooper” e fluem sem atrito. Isso permite que o circuito se comporte como um único átomo artificial. Ao manipular esse circuito com pulsos de micro-ondas, os engenheiros conseguem levá-lo a um estado de superposição, sendo “0” e “1” ao mesmo tempo.

2. O problema do ruído

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

Nos chips anteriores, adicionar mais qubits criava mais caminhos para a propagação de erros. Se uma máquina de 50 qubits tivesse 99% de precisão 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 a correção de erros

O Willow introduz um novo esquema de correção de erros em tempo real. Na prática, ele agrupa qubits físicos para que “votem” no estado correto.

O avanço se baseia em um conceito semelhante ao Efeito Zeno Quântico, em que observar um sistema com frequência pode “congelar” sua evolução ou, neste caso, detectar erros antes que se espalhem. O Willow mede a “paridade” de qubits vizinhos, verificando se são iguais ou diferentes, sem medir os qubits em si (o que destruiria os dados).

Se o sistema detecta um erro (como uma inversão de bit), ele pode aplicar uma correção em tempo real. Os dados mostram que, conforme o Google aumentou a distância do código (o número de qubits físicos que sustentam um qubit lógico), a taxa de erro caiu exponencialmente.

Isso confirma que a Correção de Erros Quânticos funciona. Um qubit lógico agora consegue durar mais do que os qubits físicos que o compõem. É um desafio de engenharia, não uma impossibilidade da física.

O benchmark: Amostragem de Circuitos Aleatórios

A tarefa que o Willow executou chama-se Amostragem de Circuitos Aleatórios (RCS, na sigla em inglês).

A RCS é, essencialmente, um teste de estresse. O computador recebe uma sequência aleatória de portas quânticas (operações) para aplicar aos seus qubits e precisa produzir 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. Ele foi escolhido justamente por ser o mais difícil possível 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), isso eram petabytes. Para 105 qubits (Willow), a necessidade de memória excede o número de átomos do universo visível.
• Desempenho do Willow: O Willow consegue executar esses circuitos nativamente porque ele é o sistema que está sendo simulado.

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

No entanto, vale notar a rivalidade em jogo. A IBM costuma argumentar que a RCS é um “truque de salão” e que esses limites teóricos de tempo podem ser reduzidos por aproximações clássicas engenhosas. Mas, mesmo com os métodos de “redes tensoriais” mais generosos que os algoritmos clássicos eficientes utilizam, o Willow continua efetivamente fora de alcance.

Contexto histórico: o caminho desde o Sycamore

A jornada até o Willow foi árdua.

• 2019 (Sycamore): O Google alega Supremacia Quântica com 53 qubits. O cálculo levou 200 segundos, contra uma estimativa de 10.000 anos para um supercomputador. A IBM rebateu imediatamente, afirmando que conseguiria fazê-lo em 2,5 dias no seu supercomputador Summit, usando armazenamento em disco rígido. A alegação foi controversa.
• 2021-2023 (IBM Eagle e Osprey): A IBM elevou a contagem pura de qubits, lançando chips com 127 e depois 433 qubits. No entanto, o Google argumentou que quantidade sem qualidade não significava nada. Um chip de 433 qubits com altas taxas de erro é apenas um gerador de números aleatórios.
• 2024 (Willow): O Google contra-ataca. Não foram atrás de 1.000 qubits. Foram atrás de 105 qubits melhores.

Isso sinaliza uma divergência de filosofia. A IBM busca a “Escala de Utilidade” (resolver agora problemas menores e úteis com mitigação de erros), enquanto o Google busca a “Tolerância a Falhas” (provar primeiro a física da correção de erros). O Willow sugere que a aposta do Google na física está dando resultado.

Análise prospectiva: o “Código Vermelho” para a criptografia?

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

O temor vem do Algoritmo de Shor, um método quântico capaz de fatorar números primos grandes exponencialmente mais rápido que os computadores clássicos. Como a criptografia RSA (que protege sua conta bancária e seu tráfego na web) depende da dificuldade de fatorar primos, um computador quântico poderoso poderia, em teoria, quebrar a internet.

A resposta: você está seguro… por enquanto.

Para executar o Algoritmo de Shor em uma chave RSA de 2048 bits, não bastam 2048 qubits. São necessários 2048 qubits lógicos perfeitos. Por causa da necessidade de correção de erros, cada qubit lógico pode exigir 1.000 qubits físicos.

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

A indústria ainda está a ordens de magnitude do “Q-Day” (o dia em que os computadores quânticos quebrarão a criptografia). Ainda assim, o Willow obriga a atualizar os prazos.

• Antes do Willow: Os físicos temiam que as taxas de erro chegassem a um ponto de saturação, o que significaria que a humanidade talvez nunca alcançasse 20 milhões de qubits coerentes.
• Depois do Willow: Está provado que a correção de erros funciona. Já não é um problema de física; é um problema de engenharia.

O impacto imediato real: simulação

Muito antes de quebrar códigos, chips como o Willow (e seus sucessores) vão revolucionar a simulação.

• Fixação de nitrogênio tipo P: A produção de amônia para fertilizantes consome 2% da energia do mundo. Ela exige calor e pressão elevados (processo Haber-Bosch). As bactérias fazem isso à temperatura ambiente usando a nitrogenase. Os computadores clássicos atuais não conseguem simular a nitrogenase porque as interações entre os elétrons são complexas demais. Um computador quântico poderia modelá-la sem esforço, levando à produção local e verde de fertilizantes.
• Química de baterias: Projetar novos eletrólitos para baterias de lítio-metal envolve simular ligações moleculares complexas. Chips da classe Willow poderiam encontrar os materiais que dobrariam a autonomia dos carros elétricos.

Conclusão

O chip Willow do Google não vai minerar todos os Bitcoins amanhã nem ler seus e-mails criptografados. Se você o julgar pela capacidade de rodar Excel ou Doom, ele é inútil.

Mas a tecnologia raramente é julgada pelo que o protótipo consegue fazer; ela é julgada pelo caminho que abre.

Durante 40 anos, a computação quântica foi uma disciplina teórica. Era matemática no quadro-negro, discutindo o que poderia acontecer se os pesquisadores conseguissem controlar a natureza em escala atômica. O Willow é a prova de que o quadro-negro estava certo. A porta para o reino quântico não está mais apenas destrancada; foi arrombada. A única pergunta agora é com que rapidez a indústria conseguirá atravessá-la.

Fontes (2)

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