A divisão de computação quântica do Google informou que seu processador Willow alcançou um marco computacional que os supercomputadores clássicos levariam aproximadamente 10.000 anos para replicar – completando a tarefa em menos de quatro minutos. O resultado, publicado emNatureza, representa um avanço significativo além da demonstração de supremacia quântica do Google em 2019 e, mais importante, demonstra uma propriedade que os pesquisadores vêm perseguindo há duas décadas: a correção de erros que melhora à medida que o sistema é dimensionado.

O anúncio chegou com o peso de um significado científico genuíno. Ao contrário do resultado de 2019 – que foi imediatamente contestado pela IBM, que argumentou que os seus supercomputadores clássicos poderiam resolver o mesmo problema em dias – o resultado da Willow foi examinado de forma independente e a margem de supremacia é muito maior. A resposta da comunidade científica foi notavelmente menos cética desta vez.

O que foi realmente resolvido

O problema específico – uma variante da amostragem aleatória de circuitos – não é diretamente útil por si só. Envolve amostragem da distribuição de saída de um circuito quântico aleatório, uma tarefa que é computacionalmente difícil para computadores clássicos, mas natural para computadores quânticos. O problema foi escolhido justamente por ser bem compreendido teoricamente, possibilitando verificar o resultado quântico e calcular quanto tempo um computador clássico levaria para replicá-lo.

O número de 10.000 anos refere-se ao algoritmo clássico mais conhecido executado no supercomputador mais poderoso do mundo. Não é uma afirmação de que nenhum algoritmo clássico poderia resolver o problema mais rapidamente – as reivindicações de supremacia quântica são sempre relativas aos métodos clássicos mais conhecidos, e os algoritmos clássicos melhoram com o tempo. Mas a margem é suficientemente grande para que fechá-la, classicamente, exigiria um avanço de magnitude comparável ao próprio avanço quântico.

Mais significativamente, Willow demonstra uma propriedade chave que escapou aos computadores quânticos: a correção de erros que melhora à medida que o sistema é dimensionado. Os processadores quânticos anteriores tornaram-se menos confiáveis ​​à medida que mais qubits foram adicionados – os erros se acumulavam mais rápido do que podiam ser corrigidos. Willow mostra a tendência oposta. À medida que o Google adicionou mais qubits ao código de correção de erros, a taxa de erro lógico diminuiu exponencialmente. Este é o comportamento que a teoria quântica de correção de erros prevê, mas que nenhum sistema físico havia demonstrado anteriormente de forma convincente.

Por que a correção de erros é o verdadeiro avanço

Para entender por que isso é importante, é útil compreender o desafio fundamental da computação quântica. Bits quânticos (qubits) são extraordinariamente sensíveis a perturbações ambientais – calor, interferência eletromagnética e até mesmo raios cósmicos podem causar erros. Os computadores clássicos lidam com erros através de redundância e códigos de correção de erros, mas aplicar a mesma abordagem aos computadores quânticos é muito mais difícil porque os estados quânticos não podem ser copiados (o teorema da não clonagem) e medir um estado quântico o destrói.

A correção quântica de erros funciona codificando um único qubit lógico em muitos qubits físicos, de uma forma que permite que erros sejam detectados e corrigidos sem medir diretamente o estado lógico. A teoria foi compreendida desde a década de 1990, mas implementá-la na prática requer qubits físicos com taxas de erro abaixo de um limite – e manter esse limite à medida que o sistema é dimensionado tem se mostrado extremamente difícil.

A demonstração de Willow de que as taxas de erro diminuem à medida que o sistema aumenta é a primeira evidência convincente de que um sistema quântico físico pode operar abaixo do limite de correção de erros em escala. Isto não significa que a computação quântica tolerante a falhas seja iminente – as taxas de erro ainda são demasiado elevadas para a maioria das aplicações práticas – mas demonstra que o caminho para a tolerância a falhas está aberto. A questão não é mais se a correção quântica de erros escalável é fisicamente possível, mas quanto tempo levará para atingir as taxas de erro necessárias para um cálculo útil.

Implicações para criptografia

A comunidade de criptografia tem observado de perto o progresso da computação quântica, porque computadores quânticos suficientemente poderosos poderiam quebrar a criptografia RSA e de curva elíptica – os fundamentos da maior parte da segurança da Internet. O resultado de Willow reacendeu essa conversa, embora a ameaça imediata seja menos aguda do que algumas manchetes sugerem.

“Ainda não chegamos lá”, diz a Dra. Michele Mosca, do Instituto de Computação Quântica. “Mas o resultado de hoje é um sinal claro de que o cronograma para a computação quântica criptograficamente relevante precisa ser levado a sério. As organizações que ainda não começaram a migrar para a criptografia pós-quântica devem começar agora.”

Quebrar o RSA-2048 – o padrão de criptografia mais comum – exigiria um computador quântico tolerante a falhas com milhões de qubits lógicos. Willow tem 105 qubits físicos. A lacuna é enorme. Mas a demonstração da correção de erros escalável significa que a lacuna é agora uma questão de engenharia e não de física fundamental. Os padrões de criptografia pós-quântica do NIST, finalizados em 2024, fornecem o caminho de migração que as organizações precisam seguir – e o resultado da Willow é um argumento convincente para a urgência.

Os sistemas mais vulneráveis ​​são aqueles com longa vida útil dos dados. Os dados criptografados interceptados hoje poderão ser armazenados e descriptografados mais tarde, quando os computadores quânticos forem suficientemente poderosos. É quase certo que as agências de inteligência e os Estados-nação adversários estão a fazer exactamente isto – uma estratégia conhecida como “colher agora, desencriptar depois”. Para dados que precisam permanecer confidenciais por 10 anos ou mais, a migração para a criptografia pós-quântica não é opcional.

Descoberta de medicamentos e simulação molecular

A aplicação mais imediatamente promissora é a simulação molecular. Os computadores quânticos são naturalmente adequados para modelar sistemas de mecânica quântica – incluindo o comportamento de moléculas. A simulação molecular precisa poderia acelerar drasticamente a descoberta de medicamentos, permitindo aos pesquisadores testar computacionalmente potenciais candidatos a medicamentos antes mesmo de sintetizar uma única molécula.

Os computadores clássicos atuais podem simular com precisão moléculas de até cerca de 50 átomos. Além disso, a complexidade computacional cresce exponencialmente e aproximações tornam-se necessárias. Muitas das moléculas biológicas mais importantes – proteínas, enzimas, alvos de medicamentos – são muito maiores que este limite. Um computador quântico tolerante a falhas poderia simular exatamente essas moléculas, identificando potencialmente candidatos a medicamentos que os métodos clássicos não perceberiam.

O cronograma para esta aplicação é maior do que a ameaça de criptografia. A simulação molecular requer computadores quânticos tolerantes a falhas com milhares de qubits lógicos – ainda a anos de distância. Mas as empresas farmacêuticas, incluindo a Roche, a Pfizer e a Merck, já estão a investir na investigação da computação quântica, posicionando-se para explorar a tecnologia quando esta amadurecer.

Ciência de Materiais e Aplicações Climáticas

Além da descoberta de medicamentos, a simulação quântica poderia transformar a ciência dos materiais. A concepção de melhores catalisadores para processos químicos industriais — incluindo o processo Haber-Bosch que produz fertilizantes, que representa cerca de 2% do consumo global de energia — poderia ter um enorme impacto económico e ambiental. Projetar melhores materiais para células solares, melhores produtos químicos para baterias e melhores supercondutores são problemas que a simulação quântica poderia acelerar.

As implicações climáticas são potencialmente significativas. Muitas das tecnologias de energia limpa mais importantes – células solares de próxima geração, supercondutores à temperatura ambiente, melhores eletrolisadores para a produção de hidrogénio verde – são limitadas pela nossa incapacidade de conceber materiais com precisamente as propriedades mecânicas quânticas corretas. Os computadores quânticos poderiam remover essa limitação.

O cenário competitivo

O Google não está sozinho na corrida para construir computadores quânticos úteis. A IBM tem seu próprio roteiro, visando 100.000 qubits físicos até 2033. A Microsoft está buscando uma abordagem fundamentalmente diferente usando qubits topológicos, que são teoricamente mais resistentes a erros. IonQ e Quantinuum estão construindo computadores quânticos de íons aprisionados, que têm taxas de erro mais baixas do que qubits supercondutores, mas são mais difíceis de escalar. O programa de computação quântica da China, centrado na Universidade de Ciência e Tecnologia da China, demonstrou os seus próprios resultados de supremacia.

A diversidade de abordagens reflete a incerteza genuína sobre qual plataforma física será mais prática para a computação quântica tolerante a falhas. Cada abordagem tem diferentes compensações entre qualidade, escalabilidade e condições operacionais do qubit. O campo ainda está suficientemente adiantado para que a plataforma vencedora não seja óbvia.

What Comes Next

O roteiro do Google exige um computador quântico tolerante a falhas – capaz de executar algoritmos práticos com taxas de erro baixas o suficiente para aplicações reais – até o final da década. A manutenção desse cronograma dependerá do progresso contínuo na correção de erros, na qualidade do qubit e nos sistemas de controle clássicos que gerenciam os processadores quânticos.

O resultado da Willow é um marco genuíno, não um anúncio de marketing. Isso demonstra que a física fundamental da correção quântica de erros escalável funciona conforme a teoria prevê. Os desafios de engenharia que permanecem são formidáveis, mas são desafios de engenharia — do tipo que rende investimentos e esforços sustentados. A era da computação quântica praticamente útil está mais próxima do que na semana passada.

Fontes e leituras adicionais