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Um novo benchmark desenvolvido para comparar computadores quânticos em uma mesma escala revelou diferenças significativas entre máquinas de ponta — e também mostrou que a tecnologia ainda está muito distante de executar alguns dos cálculos para os quais foi desenvolvida.
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Chamado de Quantum Universal Operation Performance System (QUOPS), o teste foi criado por uma equipe liderada pelo Sandia National Laboratories, nos Estados Unidos. Pesquisadores aplicaram o benchmark a sistemas de Google, IBM e Quantinuum para medir não apenas a velocidade das máquinas, mas também o tamanho dos circuitos quânticos relevantes que elas conseguem executar com sucesso.
O resultado mais importante é que o melhor desempenho registrado em hardware físico foi de 1.824 QUOPS, enquanto problemas considerados grandes desafios para a computação quântica exigiriam algo entre 250 milhões e 340 milhões de QUOPS.
Isso significa que os computadores quânticos atuais ainda precisam aumentar sua capacidade computacional em aproximadamente 100 mil vezes para alcançar esse tipo de aplicação.
Novo benchmark tenta criar uma régua única
- Até agora, não havia uma maneira de comparar diretamente o poder computacional de diferentes sistemas quânticos usando uma mesma escala;
- Os métodos tradicionais costumam avaliar características individuais, como a quantidade de qubits — equivalentes quânticos dos bits usados em computadores convencionais — e as taxas de erro de operações específicas;
- O QUOPS adota uma abordagem diferente. O teste executa padrões aleatórios de operações entre qubits que funcionam como representações de circuitos semelhantes aos utilizados em determinados cálculos científicos;
- Dessa maneira, o benchmark procura medir o tamanho dos maiores circuitos computacionalmente relevantes que uma máquina consegue executar corretamente, além da velocidade com que realiza essas operações;
- A ideia é oferecer uma comparação mais direta entre arquiteturas diferentes.
Quantinuum, Google e IBM apresentam resultados muito diferentes
Os testes mostraram diferenças consideráveis entre os computadores analisados, relacionadas às próprias arquiteturas utilizadas para construí-los.
O Helios-1, processador de íons aprisionados da Quantinuum, foi capaz de lidar com os maiores cálculos entre os sistemas avaliados. A máquina alcançou uma pontuação superior a 1.500 QUOPS.
Uma das vantagens da arquitetura é a disposição flexível dos qubits, que permite que eles se comuniquem com qualquer outro qubit. O problema é que o deslocamento dos íons leva tempo, tornando o sistema relativamente lento.
Os processadores supercondutores da Google e da IBM seguem uma estratégia diferente. Neles, os qubits são organizados em grades rígidas nos chips, o que limita a comunicação entre determinados qubits. Como consequência, os sistemas apresentaram pontuações de aproximadamente 200 QUOPS.
Por outro lado, as máquinas supercondutoras são consideravelmente mais rápidas. O processador Willow, do Google, chegou a executar 20 milhões de operações por segundo.
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Processadores supercondutores da Google e da IBM seguem uma estratégia diferente – Imagem: gorodenkoff/iStock
Velocidade não é suficiente
Os resultados também mostram por que medir apenas a velocidade de um computador quântico pode ser enganoso.
Uma máquina pode executar operações muito rapidamente, mas ainda assim não conseguir realizar um circuito suficientemente grande para solucionar um problema útil. É justamente essa diferença que o QUOPS procura capturar.
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O potencial da computação quântica está associado a problemas extremamente complexos, como a quebra da criptografia RSA-2048, amplamente utilizada na segurança digital, e a modelagem de moléculas complexas para aplicações em química.
Para executar esses cálculos, seriam necessários aproximadamente 250 milhões a 340 milhões de QUOPS. O maior resultado obtido até agora em hardware físico, porém, foi de apenas 1.824 QUOPS.
Na prática, portanto, existe uma diferença de cerca de cinco ordens de magnitude entre a capacidade atual e a necessária para esses desafios.
Computadores quânticos ainda precisam evoluir muito
Fechar esse enorme intervalo exigirá avanços em diferentes aspectos da tecnologia. De acordo com o estudo, será necessário reduzir significativamente as taxas de erro, aumentar o número de qubits físicos ou desenvolver arquiteturas de computadores quânticos mais eficientes.
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Os autores resumem o tamanho do desafio afirmando que a capacidade computacional precisa crescer em cinco ordens de magnitude, o que reforça a importância de abordagens de computação quântica tolerantes a falhas.
A comparação também evidencia que não existe uma arquitetura claramente superior em todos os aspectos avaliados.
O Helios-1 conseguiu executar circuitos maiores, mas é mais lento. Google e IBM, por sua vez, alcançaram velocidades de operação muito maiores, mas tiveram pontuações QUOPS menores. Essas diferenças estão diretamente relacionadas às escolhas feitas no desenvolvimento de cada sistema.
Por que o benchmark é importante
Para os pesquisadores, uma régua comum pode ajudar a acompanhar de maneira mais transparente a evolução da computação quântica.
Em vez de analisar apenas números isolados, como quantidade de qubits ou velocidade de determinadas operações, o QUOPS procura medir a capacidade efetiva das máquinas de executar circuitos de tamanho relevante.
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O objetivo é permitir que cientistas e outros envolvidos no desenvolvimento da tecnologia acompanhem o progresso dos sistemas e verifiquem de maneira independente sua capacidade computacional.
O estudo que apresenta o benchmark, intitulado “Benchmarking the computational power of quantum computers”, foi publicado no servidor de preprints arXiv.
Rodrigo Mozelli
Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.
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Tags: computação quântica Google IBM
