Capacidade do computador quântico chinês aliada à dianteira nas pesquisas em transmissão de fótons

A revista Scientific American admitiu em artigo que “China pode estar tomando a dianteira global na corrida pela computação quântica”, com base na “divulgação de três feitos importantes no último mês”.

De acordo com a publicação, “está acirrada” a competição científica entre a China e os EUA, com a Scientific American reconhecendo que a China, desde 2017, já tinha assumido a liderança na corrida pela comunicação quântica, com a transmissão de fótons emaranhados a partir do satélite chinês Micius para “conduzir a primeira videochamada segura por criptografia quântica”. “Novas pesquisas sugerem que essa liderança também se estende à computação quântica”.

Três artigos postados no arXiv.org no mês passado por físicos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) relataram importantes avanços tanto na comunicação quanto na computação quântica, registra o autor, Daniel Garisto.

“Em um dos estudos, os pesquisadores usaram semicondutores em escala nanométrica, os pontos quânticos, para transmitir fótons únicos – um recurso essencial para qualquer rede quântica – por mais de 300 km de fibra, uma distância 100 vezes superior à de experimentos anteriores”.

“Já os cientistas de outro estudo aprimoraram seu computador quântico [Jiu Jiang] fotônico para trabalhar com a detecção de 113 fótons, em vez de apenas 76, uma atualização impressionante de sua ‘superioridade quântica’, ou seja, a diferença da velocidade com que a máquina realiza uma tarefa específica, em comparação a computadores clássicos”.

Zuchongzhi

E o terceiro artigo “apresentou o Zuchongzhi, um computador quântico dotado de 66 qubits que completou uma operação usando 56 qubits – valor próximo dos 53 qubits usados no computador quântico Sycamore do Google, que estabeleceu um recorde de desempenho em 2019” – e que, como o projeto norte-americano, usa um processador quântico com base em supercondutores.

O Zuchongzhi – o nome é homenagem a um matemático e astrônomo chinês do século V – foi criado pela mesma equipe que já apresentara o Jiu Jiang com circuitos óticos.

Aqui vale um parêntese, para citar outro artigo da Scientific American, sobre o Zuchongzhi. “Em sua demonstração, os pesquisadores usaram apenas 56 desses qubits para resolver um problema bastante conhecido: a amostragem da distribuição de saída de circuitos quânticos aleatórios”.

Tarefa que requer uma variedade de habilidades computacionais que “envolvem análise matemática, teoria de matrizes, cálculo da complexidade e teoria da probabilidade”, fazendo com que seja “aproximadamente 100 vezes mais desafiadora” do que a tarefa realizada pelo Sycamore. O Zuchongzhi apresentou seus resultados em pouco mais de uma hora.

Dois avanços em uma semana

“É um acontecimento empolgante. Eu não sabia que eles estavam lançando não um, mas dois desses [resultados da computação quântica] na mesma semana”, disse Scott Aaronson, um cientista da computação da Universidade do Texas em Austin à Scientific American. “Isso é incrível.”

Todas as três conquistas “são recordes mundiais em suas respectivas áreas”, registra a Scientific American, que ressalta, porém, o computador quântico Zuchongzhi, em particular, que trata como a “primeira corroboração do resultado do Google em 2019”. Aliás, um resultado que foi questionado nos próprios EUA, por uma equipe concorrente da IBM.

O que explica a reação do ex-pesquisador que liderou na Google o trabalho para construir o Sycamore, John Martinis. “Estou muito satisfeito que alguém tenha reproduzido o experimento e mostrado que ele funciona de fato”. “Isso é muito bom. Os qubits são uma base estável onde essas máquinas podem ser realmente construídas.”

No texto que descreve o experimento do Zuchongzhi, a equipe de pesquisadores chineses destaca que seu trabalho estabelece “uma vantagem computacional quântica bastante clara, algo inviável de ser feito pela computação clássica em um período de tempo razoável. A plataforma de computação quântica programável e de alta precisão abre uma nova porta para a implementação de algoritmos quânticos complexos”.

Fótons

Os dois computadores quânticos operam qubits a partir de princípios diferentes, elétrons e supercondutores, no caso do Sycamore e do Zuchongzhi, e fótons, lasers e circuitos óticos, no caso do Jiu Jiang.

O que implica em diferentes hardware e controles. O computador baseado nos qubits supercondutores é um grande criostato, usando tecnologia de resfriamento em todos os dispositivos relacionados, o que é uma exigência do uso dos supercondutores.

Já os chips fotônicos têm uma aparência completamente diferente. Este é um tipo de matriz na qual guias de luz são literalmente desenhados usando diferentes tecnologias ópticas e litográficas, que se cruzam e divergem, formando interferômetros complexos. A luz na forma de estados quânticos se propaga através deles e atinge a saída na forma necessária para resolver um problema específico.

Outra dificuldade é o chamado tempo de decoerência, o que é algo como o ‘tempo de vida’ útil durante o qual é possível manter operacional o qubit fisicamente.

Implicações

A superioridade tecnológica tem implicações “tanto para ciência quanto para as relações geopolíticas”, observa a revista, que constata que as tensões entre EUA e China estão no ponto mais alto das últimas décadas, com confrontos sobre “comércio, direitos humanos, espionagem, Covid e Taiwan”.

“Computadores quânticos e a comunicação quântica são tecnologias que ainda estão emergindo e provavelmente nenhuma delas terá uso prático ainda por muitos anos”, acrescenta o artigo.

“Mas a geopolítica da tecnologia quântica está em jogo: redes quânticas completas podem fornecer canais de comunicação indevassáveis, e um computador quântico poderoso pode teoricamente quebrar grande parte da criptografia usada atualmente para proteger e-mails e transações na Internet”.

A Scientific American lembra que após o sucesso chinês em 2017 na comunicação quântica desde um satélite, os EUA correram atrás do prejuízo, investindo centenas de milhões de dólares na ciência da informação quântica por meio da National Quantum Initiative.

“Foi um estranho déjà-vu”, acrescenta, referindo-se à corrida de cerca de 60 anos antes, na exploração espacial, quando os EUA foram surpreendidos pelo lançamento do Sputnik soviético.

Para o artigo, essa luta pela vantagem quântica “não precisa ser uma reprodução” disso.

Zuoyue Wang, historiador da ciência na California State Polytechnic University, observa que a China e os EUA estão intimamente ligados em muitas áreas – a ciência entre elas – “o que poderia impedir que ocorra uma competição hostil no reino quântico”.

Exemplo disso, ele salientou, são as centenas de milhares de estudantes chineses nos EUA e a intensa colaboração entre pesquisadores dos dois países, que vão da agricultura à zoologia. “Os maiores parceiros de colaborações internacionais um do outro”, sublinhou.

Qubit por qubit

A publicação destaca como o físico Richard Feynman antecipou há 40 anos que os computadores clássicos, “que tentam simular uma realidade fundamentalmente quântica”, poderiam um dia ser superados por um computador que, assim como a realidade, seja “realmente quântico”.

A previsão de Feynman se tornou possível a partir de que os pesquisadores aprenderam a manipular átomos, fótons e elétrons individuais, para servir de base real para o conceito de qubits, os bits quânticos.

Em 2019, a equipe de Martinis anunciou ter alcançado a supremacia quântica, com o sistema Sycamore da Google executando uma tarefa específica mais rapidamente do que mesmo poderosos supercomputadores clássicos. “Um ano depois, pesquisadores do USTC realizaram um experimento semelhante com um computador quântico feito de fótons”.

“Vantagem quântica”

Como os computadores quânticos – ainda rudimentares – podem superar supercomputadores clássicos na realização de tarefas específicas?

A vantagem dos qubit utilizados pelos computadores quânticos em relação aos bits de computação clássicos é a sua capacidade de superposição, um fenômeno da mecânica quântica no qual é possível obter uma combinação linear de dois estados e que aumenta exponencialmente a potência de computação.

O bit binário – dos computadores clássicos – representa apenas um único valor binário ( 0 ou 1), adotando só um dos dois estados possíveis. Já o qubit consegue representar ambos os valores binários ou qualquer proporção de 0 e 1 na superposição de ambos, oferecendo também as probabilidades de cada estado.

Para trabalharem juntos em um computador, os qubits também devem estar emaranhados, ou quanticamente correlacionado um com o outro.

É assim que os computadores quânticos rudimentares podem superar supercomputadores clássicos na realização de tarefas específicas. “É extremamente simples”, disse Aaronson. “É tudo uma sequência aleatória de operações quânticas.” Este conjunto caótico de instruções emaranha todos os qubits em um estado confuso. Descrever esse estado é mais fácil para qubits do que para bits. Descrever dois qubits emaranhados requer quatro bits clássicos. (Neste último caso, existem quatro resultados possíveis: 00, 01, 10 ou 11.)

A complexidade do estado aumenta exponencialmente, então 50 qubits requer 2 elevado a 50, ou cerca de um quatrilhão de bits, para ser descrito. Nos computadores quânticos fotônicos, os fótons agem como qubits. É por isso que mesmo um pequeno computador quântico de 50 qubits pode vencer um supercomputador clássico imenso.

“Se você olhar para o Ocidente – os EUA, a Europa – não tem tido muitas conversas sobre repetir a experiência [de 2019 do Google]”, disse Martinis. “Eu admiro que, na China, eles queiram fazer isso”.

Rede quântica entre Pequim e Xangai

A Scientific American aponta que, apesar das dificuldades de trabalhar com computadores quânticos fotônicos, os pesquisadores da USTC têm um bom incentivo para dominar a plataforma, “pois os fótons são a base da rede quântica chinesa”. Milhares de quilômetros de cabos de fibra óptica – acrescenta – já criaram uma “ligação quântica entre Pequim e Xangai”.

O artigo registra que esta não é, porém, uma “conexão quântica completa: ela apresenta divisões porque os fótons só podem ir até certo ponto sem sucumbir a ruídos na fibra”. Uma rede quântica autêntica pode ter uma variedade de aplicações, mas as duas principais são a sincronização precisa e comunicações impossíveis de serem hackeadas.

Para conseguir isso, as redes quânticas precisam – entre outras coisas – “de fótons únicos emaranhados para a distribuição de chaves quânticas” e a realização de outras operações que requerem emaranhamento.

“Os pontos quânticos são considerados fontes ideais para fótons individuais”, mas nunca se havia conseguido enviar fótons isolados por mais de um quilômetro de fibra (quanto mais longa a fibra, de regra, maior o ruído). “Mas a equipe da USTC conseguiu aumentar a distância de transmissão e, ao mesmo tempo, diminuir o ruído. Seu sucesso é resultado de medidas extenuantes, como estabilização da temperatura da fibra de 300 Km em 0,1ºC.”

Quem está na frente

“A China está à frente dos EUA em tecnologia da informação quântica?”, indaga a Scientific American, para a qual a resposta “depende de como você analisa essa corrida”.

A China – aponta – tem “mais patentes totais em todo o espectro da tecnologia quântica”, enquanto as empresas norte-americanas, segundo a publicação, têm “uma liderança dramática em patentes de computação quântica”. Claro – admite -, “a China possui uma rede quântica mais sofisticada e, agora, os dois principais computadores quânticos”. Em financiamento para a área, há empate, em torno de US$ 100 milhões anuais.

“É um problema muito novo para os EUA”, disse à revista Mitch Ambrose, analista de política científica do Instituto Americano de Física. “O país esteve à frente por tanto tempo, e em tantas áreas, que realmente não jamais pensou muito sobre o que significa estar atrás.”

Foco na ciência

A pesquisa quântica na China é quase inteiramente conduzida pelo Estado – concentrada em algumas universidades e empresas. Em comparação, a pesquisa nos EUA é “muito mais heterogênea – espalhada por dezenas de agências de financiamento, universidades e empresas privadas”.

Segundo Wang, “o governo chinês está bastante focado na tecnologia da ciência, provavelmente mais do que o governo dos Estados Unidos”.“Ninguém mais vai conseguir alcançá-los.”

A Scientific American registra o esforço do governo dos EUA na área da computação quântica, através de projetos como o Ato de Inovação e Competição de 2021, que destina $ 1,5 bilhão de dólares para pesquisas em comunicação, incluindo tecnologia quântica.

O projeto, que prioriza a fabricação de semicondutores, também contém cláusulas que têm lógica evitar que a China domine a alta tecnologia. Durante quatro décadas, China e EUA cooperaram oficialmente em questões científicas, sob o Acordo de 1979 sobre Ciência e Tecnologia.

O precedente da guerra tecnológica à China – embora não seja exatamente nestes termos que a revista apresente – é a Emenda Wolf, em vigor “desde 2011, que proíbe qualquer cooperação com a agência espacial da China”.

Nem o veto norte-americano à participação da China na Estação Espacial Internacional, nem todas essas proibições, impediram a grande nação asiática de alcançar a Lua e, agora, também Marte. Aliás, em Marte, segundo um renomado cientista italiano, Roberto Orosei, a China fez “em uma missão o que a NASA levou quatro décadas para fazer”.

A ciência e o poder da comunicação humana

O artigo conclui expressando a esperança de que a cooperação entre as duas partes, apesar de tudo, prevaleça, lembrando o intercâmbio científico que Estados Unidos e União Soviética desenvolveram, mesmo sob a Guerra Fria.

Para Olga Krasnyak, especialista em diplomacia científica da Escola Superior de Economia da National Research University, de Moscou, “a diplomacia científica tem essa vantagem – ela usa a ciência, que é universal”. E usa algo tão importante quanto: os cientistas. “Eles historicamente aproveitam de sua humanidade e busca por conhecimento que têm em comum para superar a tensão de quaisquer diferenças ideológicas”.

Concluindo, o autor enfatiza que “a computação e comunicações quânticas podem realmente ter o poder de remodelar o mundo”. Mas, citando a cientista russa, acrescenta: “Eu também acredito no poder da comunicação humana”.