Nosso algoritmo Quantum Echoes é um grande passo em direção a aplicações do mundo real para computação quântica.
Nosso chip quântico Willow demonstra o primeiro algoritmo a alcançar vantagem quântica verificável em hardware.
Nota do editor: Hoje, anunciamos uma pesquisa que mostra — pela primeira vez na história — que um computador quântico pode executar com sucesso um algoritmo verificável em hardware, superando até mesmo os supercomputadores clássicos mais rápidos (13.000 vezes mais rápido). Ele pode calcular a estrutura de uma molécula e abre caminho para aplicações no mundo real. O avanço de hoje se baseia em décadas de trabalho e seis anos de grandes avanços. Em 2019, demonstramos que um computador quântico poderia resolver um problema que levaria milhares de anos para o supercomputador clássico mais rápido. Então, no final do ano passado (2024), nosso novo chip quântico Willow mostrou como suprimir erros drasticamente, resolvendo um grande problema que desafiou os cientistas por quase 30 anos. O avanço de hoje nos aproxima muito mais dos computadores quânticos que podem impulsionar grandes descobertas em áreas como medicina e ciência dos materiais.
Imagine que você está tentando encontrar um navio perdido no fundo do oceano. A tecnologia de sonar pode fornecer uma imagem borrada e dizer: “Há um naufrágio lá embaixo”. Mas e se você não só conseguisse encontrar o navio, mas também ler a placa de identificação em seu casco?
Esse é o tipo de precisão sem precedentes que acabamos de alcançar com nosso chip quântico Willow. Hoje, anunciamos um grande avanço algorítmico que marca um passo significativo em direção à primeira aplicação no mundo real. Recentemente publicado na Nature , demonstramos a primeira vantagem quântica verificável executando o algoritmo correlacionador de tempo fora de ordem (OTOC), que chamamos de Ecos Quânticos.
Os Ecos Quânticos podem ser úteis para aprender a estrutura de sistemas na natureza, de moléculas a ímãs e buracos negros, e demonstramos que eles são executados 13.000 vezes mais rápido no Willow do que o melhor algoritmo clássico em um dos supercomputadores mais rápidos do mundo.
Em um experimento separado de prova de princípio, Computação quântica de geometria molecular por meio de ecos de spin nuclear de muitos corpos (a ser publicado no arXiv ainda hoje), mostramos como nossa nova técnica — uma “régua molecular” — pode medir distâncias maiores do que os métodos atuais, usando dados de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) para obter mais informações sobre a estrutura química.
O algoritmo Quantum Echoes, uma vantagem quântica verificável
Esta é a primeira vez na história que um computador quântico executa com sucesso um algoritmo verificável que supera a capacidade dos supercomputadores. A verificabilidade quântica significa que o resultado pode ser repetido em nosso computador quântico — ou em qualquer outro do mesmo calibre — para obter a mesma resposta, confirmando o resultado. Essa computação repetível e além do clássico é a base para a verificação escalável, aproximando os computadores quânticos de se tornarem ferramentas para aplicações práticas.
Nossa nova técnica funciona como um eco altamente avançado. Enviamos um sinal cuidadosamente elaborado para o nosso sistema quântico (qubits no chip Willow), perturbamos um qubit e, em seguida, revertemos precisamente a evolução do sinal para ouvir o “eco” que retorna.
Este eco quântico é especial porque é amplificado por interferência construtiva — um fenômeno em que ondas quânticas se somam e se tornam mais fortes. Isso torna nossa medição incrivelmente sensível.
Este diagrama mostra o processo de quatro etapas para criar um eco quântico em nossa matriz de 105 qubits: executar operações para frente, perturbar um qubit, executar operações para trás e medir o resultado. A sobreposição do sinal revela como uma perturbação se espalha pelo chip Willow.
Esta implementação do algoritmo Quantum Echoes é possibilitada pelos avanços no hardware quântico do nosso chip Willow. No ano passado, a Willow provou seu poder com nosso benchmark Random Circuit Sampling, um teste projetado para medir a complexidade máxima do estado quântico. O algoritmo Quantum Echoes representa uma nova classe de desafio porque modela um experimento físico. Isso significa que este algoritmo testa não apenas a complexidade, mas também a precisão no cálculo final. É por isso que o chamamos de “quantum verificável”, ou seja, o resultado pode ser comparado e verificado por outro computador quântico de qualidade semelhante. Para oferecer precisão e complexidade, o hardware deve ter duas características principais: taxas de erro extremamente baixas e operações de alta velocidade.
Rumo à aplicação no mundo real
Os computadores quânticos serão fundamentais na modelagem de fenômenos da mecânica quântica, como as interações de átomos e partículas e a estrutura (ou forma) das moléculas. Uma das ferramentas que os cientistas usam para entender a estrutura química é a Ressonância Magnética Nuclear (RMN), a mesma ciência por trás da tecnologia de ressonância magnética. A RMN atua como um microscópio molecular, poderoso o suficiente para nos permitir ver a posição relativa dos átomos, o que nos ajuda a entender a estrutura de uma molécula. A modelagem da forma e da dinâmica das moléculas é fundamental em química, biologia e ciência dos materiais, e os avanços que nos ajudam a fazer isso melhor sustentam o progresso em áreas que vão da biotecnologia à energia solar e à fusão nuclear.
Em um experimento de prova de princípio em parceria com a Universidade da Califórnia, Berkeley, executamos o algoritmo Quantum Echoes em nosso chip Willow para estudar duas moléculas, uma com 15 átomos e outra com 28 átomos, para verificar essa abordagem. Os resultados em nosso computador quântico corresponderam aos da RMN tradicional e revelaram informações normalmente não disponíveis na RMN, o que é uma validação crucial da nossa abordagem.
Assim como o telescópio e o microscópio abriram novos mundos inéditos, este experimento é um passo em direção a um “escopo quântico” capaz de medir fenômenos naturais até então inobserváveis. A RMN aprimorada pela computação quântica pode se tornar uma ferramenta poderosa na descoberta de medicamentos, ajudando a determinar como 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 nossos bits quânticos (qubits).
A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) — prima espectroscópica da RM — revela a estrutura molecular detectando os minúsculos “spins” magnéticos no centro dos átomos. O algoritmo Quantum Echoes do Google demonstra o potencial dos computadores quânticos para modelar e desvendar com eficiência as intrincadas interações desses spins, possivelmente até mesmo a longas distâncias. À medida que a computação quântica continua a amadurecer, tais abordagens podem aprimorar a espectroscopia de RMN, complementando sua poderosa ferramenta para a descoberta de fármacos e o design de materiais avançados.
O que vem a seguir
Esta demonstração da primeira vantagem quântica verificável com nosso algoritmo Quantum Echoes marca um passo significativo em direção às primeiras aplicações reais da computação quântica.
À medida que avançamos para um computador quântico completo e com correção de erros, esperamos que muitas outras aplicações úteis no mundo real sejam inventadas. Agora, estamos focados em atingir o Marco 3 em nosso roteiro de hardware quântico : um qubit lógico de longa duração.