Cientistas Trabalhando para Levar Propriedades de Computadores Quânticos para Computadores Clássicos

Um grupo de cientistas da Universidade de Linköping conseguiu demonstrar como um computador quântico funciona e simular as propriedades dele em um computador clássico.

“Nossos resultados devem ser altamente significativos para determinar como construir um computador quântico”, disse o Professor Jan-Åke Larsson.

A Suécia, a Europa e outras partes do mundo têm investido grandes recursos e se concentrado em pesquisas para criar computadores quânticos super-rápidos e poderosos. Em dez anos, um computador quântico sueco deve ser construído, e a UE considerou a tecnologia quântica como um de seus principais projetos.

Atualmente, temos poucos algoritmos úteis que possam ser usados para computadores quânticos. Embora seja o caso, esse tipo de tecnologia será extremamente importante em simulações de sistemas biológicos, químicos e físicos. Muitos desses são muito complexos para os computadores mais poderosos que temos agora. Em um computador, um bit pode ter o valor de um ou zero, mas um bit quântico pode ter todos os valores entre eles. Isso significa que os computadores quânticos não precisam realizar tantas operações para cada cálculo que é feito.

O Professor Jan-Åke Larsson e seu estudante de doutorado Niklas Johansson, da Divisão de Codificação de Informação do Departamento de Engenharia Elétrica, da Universidade de Linköping, descobriram grande parte do porquê um computador quântico é mais poderoso do que um clássico. Eles também investigaram o que acontece dentro de um computador quântico.

Os resultados da pesquisa foram publicados no jornal científico Entropy.

“Mostramos que a principal diferença é que os computadores quânticos têm dois graus de liberdade para cada bit. Ao simular um grau de liberdade adicional em um computador clássico, podemos executar alguns dos algoritmos na mesma velocidade que eles alcançariam em um computador quântico”, diz Jan-Åke Larsson.

A equipe criou uma ferramenta de simulação chamada Lógica de Simulação Quântica, ou QSL. Ela permite que eles simulem a operação de um computador quântico em um computador clássico. A Lógica de Simulação Quântica tem uma propriedade específica, e é a única propriedade, que um computador quântico tem e um computador clássico não. É um grau de liberdade adicional para cada bit que faz parte do cálculo.

“Assim, cada bit tem dois graus de liberdade: pode ser comparado com um sistema mecânico em que cada parte tem dois graus de liberdade — posição e velocidade. Nesse caso, lidamos com bits de computação — que carregam informações sobre o resultado da função, e bits de fase — que carregam informações sobre a estrutura da função”, explica Jan-Åke Larsson.

A ferramenta QSL foi usada pela equipe para estudar alguns dos algoritmos quânticos que são responsáveis por gerenciar a estrutura da função. Muitos desses algoritmos são tão rápidos nas simulações quanto seriam em um computador quântico.

“O resultado mostra que a maior velocidade nos computadores quânticos vem de sua capacidade de armazenar, processar e recuperar informações em um grau de liberdade adicional de informações. Isso nos permite entender melhor como os computadores quânticos funcionam. Além disso, esse conhecimento deve tornar mais fácil a construção de computadores quânticos, desde que saibamos qual propriedade é mais importante para o computador quântico funcionar como esperado”, diz Jan-Åke Larsson.

A equipe também construiu uma versão física com componentes eletrônicos. Eles usaram portas semelhantes às dos computadores quânticos e uma ferramenta simula como o computador quântico funciona. Isso pode permitir que estudantes e outros simulem e entendam como a criptografia quântica e a teleportação quântica funcionam, entre outros aspectos dos computadores quânticos.

Essa nova pesquisa pode contribuir para o aumento da interseção entre computação quântica e inteligência artificial. Uma dessas interseções é o mapeamento de recursos. Outras pesquisas realizadas por IBM Research, MIT e cientistas de Oxford mostraram que, à medida que os computadores quânticos se tornam mais poderosos, eles serão capazes de realizar mapeamento de recursos em estruturas de dados complexas, algo que os computadores clássicos não podem fazer. O mapeamento de recursos é importante dentro do aprendizado de máquina e pode levar a uma inteligência artificial mais eficaz que possa identificar padrões em dados que os computadores clássicos não podem detectar.

À medida que mais pesquisas são realizadas nesses campos, haverá cada vez mais interseção entre as duas áreas importantes.