O anúncio do chip quântico Willow do Google e seu significado
(scottaaronson.blog)- O grupo Google Quantum revelou o Willow, um chip supercondutor de 105 qubits, em sintonia com o Q2B, apresentando ao mesmo tempo qubits com correção de erro baseados em surface code e um experimento maior de Random Circuit Sampling
- O maior resultado científico é que, ao aumentar o tamanho do surface code de 3×3→5×5→7×7, a vida útil do qubit lógico codificado ficou mais longa, o que pode ser visto como a superação de um limiar importante na correção de erros quânticos
- Ainda assim, para o que o Google chama de qubit realmente tolerante a falhas, são necessários gates tolerantes a falhas de 2 qubits com erro de cerca de 10^-6, e este experimento ficou limitado à criação de um único qubit codificado
- O novo experimento de Random Circuit Sampling tem escala de 105 qubits e 40 camadas de gates e, segundo os melhores algoritmos de simulação atualmente conhecidos e com base em supercomputadores em escala exa, levaria cerca de 300 milhões de anos para simulação clássica, ou cerca de 10^25 anos se a memória for o gargalo
- Pelo mesmo motivo, também é difícil verificar diretamente o resultado com computadores clássicos, então a força persuasiva deste experimento depende de uma verificação indireta que extrapola os resultados confirmados em circuitos menores para circuitos maiores
O anúncio do Willow e os avanços desde 2019
- O grupo Google Quantum anunciou oficialmente o novo Willow, chip supercondutor de 105 qubits
- O anúncio incluiu uma demonstração de qubit de surface code com correção de erro
- Também foi divulgado um experimento maior de supremacia quântica baseado em Random Circuit Sampling
- Este avanço técnico corresponde essencialmente ao mesmo resultado básico do preprint sobre tolerância a falhas que o Google havia publicado no arXiv em agosto de 2024
- A diferença agora é que ele ganhou o nome oficial de chip Willow, um artigo na Nature, detalhes adicionais e uma divulgação em grande escala
- Desde o anúncio original de supremacia quântica do Google em 2019, o número de qubits do chip aproximadamente dobrou e o tempo de coerência dos qubits ficou 5 vezes maior
- A fidelidade dos gates de 2 qubits está em cerca de 99,7% para o gate controlled-Z e cerca de 99,85% para o gate iswap
- Em 2019, era de cerca de 99,5%
O limiar superado na correção de erros
- O resultado cientificamente mais importante é que, à medida que o tamanho do surface code aumentou, o qubit lógico codificado passou a durar mais tempo
- O tamanho do código aumentou para 3×3, 5×5 e 7×7
- Em vez de sistemas maiores ficarem mais instáveis, a estrutura de correção de erro de fato funcionou no sentido de aumentar a vida útil
- Isso é interpretado como um caso de superação de um limiar importante da tolerância a falhas quântica
- É uma das condições para avançar rumo à computação quântica escalável capaz de preservar e operar qubits lógicos por longos períodos
- Segundo Sergio Boixo, do Google, para que a empresa considere algo um qubit “realmente” tolerante a falhas, é preciso um gate tolerante a falhas de 2 qubits com erro de cerca de 10^-6
- Isso equivale a realizar cerca de 1 milhão de operações tolerantes a falhas antes que ocorra um erro
- Este experimento criou um único qubit codificado e não tentou operações codificadas nem operações entre vários qubits codificados
A escala do experimento de Random Circuit Sampling
- O Google também anunciou no Willow um novo experimento de supremacia quântica baseado em Random Circuit Sampling
- Foram usadas 40 camadas de gates em um chip de 105 qubits
- O custo de simulação clássica calculado pelo Google toma como base os melhores algoritmos hoje conhecidos e supercomputadores em escala exa
- Se memória não for o problema, cerca de 300 milhões de anos
- Se memória for o problema, cerca de 10^25 anos
- Para comparação, o tempo decorrido desde o Big Bang é de cerca de 10^10 anos
- Esses números parecem plausíveis com base nos algoritmos de simulação hoje conhecidos
- Ainda existe a possibilidade de métodos melhores de simulação clássica serem descobertos
- Ao mesmo tempo, o próprio experimento também pode melhorar rapidamente
A supremacia quântica cuja verificação direta é difícil
- O principal ponto de atenção é que a verificação direta dos resultados de Random Circuit Sampling também é classicamente muito difícil pela mesma razão
- Se um computador clássico levar cerca de 10^25 anos para simular o cálculo quântico, então verificar diretamente a saída calculando a pontuação de Linear Cross-Entropy também pode levar cerca de 10^25 anos
- Por isso, o novo experimento de supremacia quântica do Willow se apoia em verificação indireta
- Os resultados são verificados em circuitos menores que computadores clássicos conseguem checar
- Depois, esses resultados são extrapolados para circuitos maiores
- Não parece haver motivo para desconfiar dessa extrapolação em si, mas este caso mostra por que experimentos de supremacia quântica verificáveis de forma eficiente no futuro próximo são necessários
- A avaliação é que já entramos profundamente em uma região onde a verificação direta é difícil
O debate sobre a interpretação de muitos mundos e os limites deste experimento
- Hartmut Neven, líder do Google Quantum AI, mencionou a discussão dos anos 1990 de David Deutsch segundo a qual computadores quânticos levariam à aceitação da realidade dos muitos mundos no sentido everettiano
- O experimento Willow não acrescenta nada de novo a esse antigo debate
- É um caso de reconfirmação das previsões da mecânica quântica
- O que essas previsões significam para a compreensão da realidade é uma questão debatida continuamente desde os anos 1920
A disputa entre plataformas de qubits
- O Willow é um resultado positivo para o Google e para a abordagem de qubits supercondutores
- Nos últimos anos, abordagens com trapped-ion e neutral-atom pareciam estar avançando mais, e empresas como Quantinuum e QuEra apresentaram resultados impressionantes
- Os concorrentes também precisarão mostrar resultados em que a vida útil dos qubits lógicos melhora à medida que o tamanho do código aumenta
- Mais adiante, também precisarão demonstrar operações com qubits lógicos acima do limiar sem postselection
- Qubits trapped-ion têm a vantagem de poder mover os qubits, e a fidelidade dos gates de 2 qubits parece estar à frente da abordagem supercondutora
- Qubits supercondutores têm a vantagem de que os gates são cerca de 1000 vezes mais rápidos
- Isso permite realizar experimentos que exigem a coleta de milhões de amostras
Ceticismo e reações externas
- O cético da computação quântica Gil Kalai considera que as afirmações extraordinárias do Google Quantum AI devem ser tratadas com cautela e que pode haver possibilidade de erro metodológico
- A maior parte de seus textos se concentra em reanalisar os dados do experimento de supremacia quântica do Google de 2019
- Há a contestação de que o experimento de 2019 já foi sucedido pelos novos resultados do Google e por resultados de Random Circuit Sampling de outras instituições
- IBM, Quantinuum, QuEra e USTC também relataram bons resultados em experimentos de Random Circuit Sampling
- A reação de Sabine Hossenfelder é avaliada como não muito diferente nos fatos em si, mas com um enquadramento bem mais negativo
- Depois de muito tempo lidando com resultados inexistentes em computação quântica apresentados de forma exagerada ou desonesta, a posição aqui é ver com bons olhos este resultado, por mostrar um milestone real e falar sem falsidades evidentes
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Ler este texto me fez sentir minúsculo. O trabalho de engenheiro de software, usando APIs e atualizando linhas de banco de dados, parece ridiculamente infantil perto do que acabei de ler
É difícil até imaginar por que eu deveria tentar entender isso, e parece totalmente inacessível. Só uma minúscula elite consegue mexer em máquinas como essa
Procure artigos, preencha muitas lacunas e invista alguns anos do seu tempo livre; daqui a 6 meses você estará 6 meses mais perto do que está agora. Com ou sem motivo, é algo que vale fazer por curiosidade, e também vale lembrar que, quando alguém dedica a vida a uma coisa, naturalmente deixa de dedicar a vida a outras. Há outras coisas em que você pode ser melhor, como escalar montanhas, fazer pizza ou dar respostas espirituosas em situações sociais
Aí penso no que eu tinha que fazer na empresa e lembro: ah, é, implementar componentes, como venho fazendo há uns últimos 10 anos. O problema é que é difícil abandonar a zona de conforto de um trabalho bem pago e viável, mas ao mesmo tempo também é difícil seguir um caminho em que eu pareça especialista em alguma área ou assuma responsabilidade. É aí que a síndrome do impostor e a fuga de responsabilidade aparecem, e eu realmente preciso de férias
Passei a tarde de ontem e a manhã de hoje aprendendo o máximo que consegui, e agora entendo, ainda que de forma muito superficial, coerência quântica, superposição e relações de fase. Então dá para fazer. Agora preciso ir aprender álgebra linear, já volto
Se você quiser se aprofundar em computação quântica, recomendo muito o livro “Quantum Computing since Democritus”, de Scott Aaronson. Mesmo tendo base em física e matemática, a escrita dele é vívida e envolvente, e ele reorganiza de forma singular e condensada até conteúdos que você já conhecia. Por exemplo, a explicação do argumento diagonal de Cantor, ou a ideia de que a mecânica quântica é uma consequência natural de “probabilidades negativas” serem reais, são insights excelentes que eu pessoalmente já usei bastante
Também é útil entender os limites da computação quântica. No fim, o que provavelmente veremos será algo como uma API de QaaS que permite fatorar números grandes. Mesmo sem conhecer o algoritmo de Shor nem os detalhes de implementação, receberemos a resposta exponencialmente mais rápido do que com métodos clássicos. Não espero computadores quânticos de mesa, linguagens dedicadas e software para usuários comuns rodando neles. Claro que um dia alguém vai rodar Doom nisso, mas será daqui a décadas
https://www.alibris.com/booksearch?mtype=B&keyword=quantum+c...
https://podcast.clearerthinking.org/episode/208/scott-aarons...
https://quantum.country
Dizem que o problema resolvido levaria cerca de 10^24 anos em computadores convencionais, mas é um problema com o qual ninguém se importa, a não ser pesquisadores de quântica
Seria bom resolverem um problema que também interesse a quem não é pesquisador de quântica. Mesmo algo como o problema do caixeiro-viajante com n=10, ou fatorar um número de 10 dígitos, já serviria. Até lá, computadores quânticos ficam na mesma categoria da fusão nuclear comercial. Há “avanços” de sobra, mas resultado zero
A comparação com a pesquisa sobre câncer mostra bem a diferença. Os anúncios anuais de “avanço que pode curar o câncer!” praticamente desapareceram, e em vez disso há progresso constante e real
Fé e visão são coisas realmente espirituais também na tecnologia
“O próximo desafio para a área é demonstrar, nos chips quânticos de hoje, o primeiro cálculo ‘útil e além da fronteira clássica’ que seja relevante para uma aplicação real”
Mais importante: essa linha de experimentos serve para refutar a ideia de que surgiria algum fenômeno físico inesperado que quebraria a ampliação da escala computacional. Ninguém confiável afirma que o experimento atual seja útil para algo prático
Como completo leigo, não entendo por que o marco não é um problema que seja classicamente difícil, mas fácil de verificar. Isso parece ainda mais estranho porque ouvi muitas vezes que a computação quântica quebraria com muita facilidade criptografias que computadores comuns não conseguem quebrar
A lógica em favor da interpretação de muitos mundos à Everett, isto é, o argumento de que “se a computação não foi terceirizada para universos paralelos, onde ela teria acontecido?”, não parece lógica
Esses universos paralelos também estariam executando a mesma computação ao mesmo tempo e, portanto, não estariam “terceirizando” parte da computação deles para nós? Nesse caso seria soma zero, e não entendo como poderia surgir um ganho de desempenho no conjunto de todos os universos
Ao executar um computador quântico, uma “nova linha do tempo” é criada. Claro, átomos comuns parados também fariam isso, e o difícil em um computador quântico é fazer com que essa ramificação seja temporária
Assim, um computador quântico se divide em várias versões de si mesmo, realiza parte da computação em cada versão e combina os resultados. Isso não é MapReduce, e as formas de combinação são rigidamente limitadas e, do ponto de vista clássico, todas estranhas
Com base nisso, dá para defender a interpretação de muitos mundos. Afinal, a computação combinada precisava ter acontecido em algum lugar. Quanto maior e mais duradoura for a computação, menos ela se encaixa na interpretação de Copenhague. Rigorosamente falando, isso não contradiz a teoria da onda-piloto, mas a teoria da onda-piloto é a interpretação de muitos mundos com a declaração adicional: “Vê esta linha do tempo aqui? Esta é real e as outras são falsas. Sim, toda a computação necessária para implementá-las acontece, mas elas simplesmente não têm a propriedade de ‘realidade’”
Só que, nesse caso, a teoria da onda-piloto não é compatível com o computacionalismo e, portanto, também deixa de ser compatível com conceitos como upload da mente. Claro, é possível aceitar essa conclusão
Não sou contra a ideia de multiverso em si, mas, se eu tivesse que escolher entre “ocorreu uma computação ao estilo de Turing e, para isso, universos paralelos eram necessários” e “algo contraintuitivo e ainda não suficientemente compreendido aconteceu no universo em que vivemos”, eu apostaria na segunda opção
No mínimo, ele começa com um universo para cada possibilidade, de modo que todos os caminhos de código sejam computados. Depois, adiciona-se um mecanismo que cria muito mais universos quando o resultado correto aparece. Assim, há 1 universo para cada resultado errado e 2^300 universos apenas para o resultado correto. Ao executar isso, você obtém o resultado correto com 99,99999% de probabilidade
Não estou tentando defender essa interpretação, mas, do ponto de vista de muitos mundos, é fácil ver como algo assim poderia ser possível. Na prática, a correção de erros se torna um mecanismo para criar mais universos com respostas certas do que com respostas erradas, e é assim que o todo funciona. Pensar na correção de erros quânticos desse jeito é bastante razoável. Afinal, ela é um mecanismo que faz com que as respostas corretas realmente observadas sejam favorecidas e, em muitos mundos, isso significa criar mais universos com respostas corretas
Essa lógica me convence. Mas eu já acreditava na conclusão, então é claro que há viés
Não entendo a parte que diz que “exatamente pelo mesmo motivo pelo qual um computador clássico levaria cerca de 10^25 anos para simular esse cálculo quântico, um computador clássico também levaria cerca de 10^25 anos para verificar diretamente o resultado do computador quântico”
Não há muitos problemas que demoram para resolver, mas são triviais de verificar? Por exemplo, a fatoração de um número muito grande que é o produto de alguns primos muito grandes. Talvez não na escala de 10^25 anos, mas ainda assim, não seria o caso?
O motivo de isso ter enganado muita gente é que soa como “provamos que P≠NP”. A chave para entender é A) manter o foco na palavra esta em “esta computação” e B) lembrar que fatoração de primos é uma aplicação plausível da computação quântica
Se isso parece contradizer B, a solução limpa é: “sim, mas computadores quânticos ainda não são grandes o suficiente para fazer fatoração de primos”
Como o texto sugere meio de lado, se alguém encontrar uma computação que A) não possa ser calculada classicamente em tempo razoável, B) possa ser calculada em um computador quântico bem pequeno e C) possa ser verificada em tempo razoável por um computador clássico, muitos pesquisadores ficarão empolgados
O hardware está avançando, mas há um problema. Não há algoritmos para rodar em computadores quânticos. Além do algoritmo de Shor, útil para quebrar RSA, não há nada
Há apenas ideias vagas de que talvez sejam úteis para simulação quântica ou otimização. Se amanhã surgisse um computador quântico totalmente funcional, o que você rodaria nele? Está tudo em branco
A única esperança seria um avanço em algoritmos quânticos, mas não há nada visível e também não houve muito progresso nessa área. Além disso, a Zapata Computing, a empresa de algoritmos quânticos que recebeu mais investimento, faliu este ano
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_algorithm
Artigo relacionado: Willow, Our Quantum Chip
https://news.ycombinator.com/item?id=42367649
Em resumo, é um resultado real, e a parte legal é que, quanto mais qubits há, eles parecem sobreviver por mais tempo, não por menos. A parte ruim é que o resultado não é verificado explicitamente, apenas por extrapolação
a) A correção de erros precisa, para amplificar o sinal, de um nível de erro pequeno desde o início; finalmente chegamos a esse ponto, e configurações de correção maiores lidam com mais erros
b) Um problema de benchmark “padrão” agora calcula 100% de algo que, na prática, é impossível de calcular em chips clássicos. O problema é tão quântico que também já não é mais possível verificá-lo em chips clássicos
Indo ao que realmente importa: onde investir na era pós-quântica? Vou resumir
O chip quântico Willow, do Google, hoje supera muito os supercomputadores e resolve em poucos minutos uma tarefa que levaria bilhões de anos de outra forma. Se o avanço da tecnologia e da IA acelerar, a supremacia quântica pode chegar antes dos anos 2030, ao contrário das previsões dos especialistas
Sistemas bancários tradicionais centralizados podem migrar mais rapidamente para criptografia segura contra quântica por meio de congelamento de transferências, revalidação de procedimentos e uma transição controlada para novos protocolos. Já criptomoedas descentralizadas têm dificuldade para coordenar hard forks e, ao migrarem para algoritmos seguros contra quântica, as assinaturas de transações ficam mais longas, elevando bastante as taxas e podendo enfraquecer a confiança
Se computadores quânticos ameaçarem a criptografia atual, ativos reais como imóveis ou índices de ações podem preservar valor melhor do que ativos digitais como criptomoedas. O que vocês acham?
Você disse que o chip quântico Willow, do Google, supera muito os supercomputadores atuais e resolve em minutos uma tarefa que levaria bilhões de anos, mas de que tipo de tarefa computacional estamos falando, afinal?
Antes de trazer universos paralelos para a conversa, que tal comparar esse sistema com o número imenso de partículas da natureza no mundo macroscópico? Em 1 grama há 10^23=2^76 partículas
O experimento de amostragem de circuitos aleatórios do Google usou apenas 67 qubits, o que é até uma ordem de grandeza abaixo de 76. O chip tinha 105 qubits, e dizem que o experimento de correção de erros usou 101 qubits; fico curioso sobre o motivo
Será que o experimento do Google encontrou problemas ao tentar executar amostragem de circuitos aleatórios no dispositivo completo de 105 qubits? Antes de dizer que o cálculo invocou universos paralelos, eu gostaria primeiro de ver que esse cálculo não pode ser explicado como algo codificado classicamente nos estados das partículas dentro do sistema
Parece haver um abismo enorme entre o que realmente acontece e o que conseguimos fazer com computadores. O mesmo pode valer para computadores quânticos
O motivo é que esse método exige 3-7-15-... bits, e o maior valor que cabe ali é 7
Com a correção de erros de superfície é a mesma coisa: é apenas o maior número da lista. Não é preciso teoria da conspiração, e isso tampouco tem relação com a capacidade de fabricação que determina o número de qubits em um único chip
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_code
A afirmação de que “até para um computador clássico verificar diretamente o resultado de um computador quântico levaria cerca de 10^25 anos” não faz muito sentido. Há muitos problemas em que verificar é muito mais fácil do que resolver
Por que não verificar as alegações sobre computação quântica com essa abordagem?
O motivo de não fazerem isso é, primeiro, que é preciso escolher um domínio de problema o mais próximo possível da natureza do dispositivo de computação para chegar a tamanhos máximos de problema como 10^25. Em muitos problemas com verificação rápida, ainda não dá para lidar com tamanhos de problema impressionantemente grandes. Assim como GPUs só são realmente fortes em algoritmos “embaraçosamente paralelos”, como computação gráfica ou álgebra linear, esse chip quântico também só é forte em certas classes de algoritmos que não exigem coerência demais
Segundo, muitas das aplicações potenciais não são fáceis de verificar, mas ainda assim são muito úteis e interessantes: previsão do tempo e do clima, simulações de química quântica, simulações nucleares do Departamento de Energia, e assim por diante. A criptografia é uma exceção considerável por produzir resultados facilmente verificáveis
Até lá, continuará preso a problemas de brinquedo, a menos que exista algo como aqueles algoritmos de teste intermediários mencionados por Aaronson. Só que, se esses algoritmos existirem, permitiriam a objeção barata de que o computador quântico não tem vantagem, o que reduziria o valor de PR
[1] https://x.com/skdh/status/1866352680899104960