Google anuncia Willow, novo chip quântico de última geração

A Google apresentou o Willow, o seu mais recente chip quântico concebido para superar os desafios de escalabilidade e precisão na computação quântica. Esta inovação inclui avanços no design e na arquitetura, permitindo operações mais rápidas e fiáveis.

O Willow apresenta um desempenho de última geração em várias métricas, possibilitando duas importantes conquistas:

• O componente consegue reduzir os erros de forma exponencial à medida que a escala aumenta, utilizando mais qubits, resolvendo assim um desafio crucial na correção de erros quânticos;
• O Willow realizou um benchmark padrão de computação em menos de 5 minutos, algo que demoraria a um dos supercomputadores mais rápidos da atualidade 10 quatrilhões(10^25) de anos.

Correção exponencial de erros quânticos

Os erros são um dos maiores desafios da computação quântica, já que os qubits, as unidades de computação nos computadores quânticos, tendem a trocar informações rapidamente, dificultando a proteção dos dados necessários para completar os cálculos. Normalmente, quanto mais qubits são utilizados, mais erros acontecem.

No Willow, a situação é diferente: quanto mais qubits são usados, mais é possível reduzir os erros, tornando o sistema mais "quântico". A Google testou conjuntos de qubits físicos cada vez maiores, expandindo de uma grelha de qubits codificados de 3x3 para uma grelha de 5x5, 7x7 e, a cada aumento, conseguiu reduzir a taxa de erro para metade.

Por outras palavras, foi possível obter uma redução exponencial da taxa de erro. Este marco histórico é conhecido na área como estar "abaixo do limiar", o que significa ser capaz de reduzir os erros enquanto se aumenta o número de qubits. Demonstrar estar abaixo do limiar é essencial para comprovar avanços reais na correção de erros — e o Willow alcançou esse feito.

10 quatrilhões de anos no supercomputador mais rápido de hoje

Para medir o desempenho do Willow, a Google utilizou o benchmark de amostragem de circuitos aleatórios (RCS). Inicialmente desenvolvido pela equipa da empresa e amplamente utilizado como padrão na área, o RCS é o benchmark classicamente mais difícil atualmente executável num computador quântico.

Pode-se pensar nisto como um teste de entrada na computação quântica: verifica-se se um computador quântico consegue realizar algo que seria impossível para um computador clássico. Qualquer equipa que desenvolva um computador quântico deve primeiro comprovar que ele ultrapassa os computadores clássicos no RCS.

O desempenho do Willow neste benchmark foi impressionante: realizou um cálculo em menos de 5 minutos, algo que levaria 10^25 anos, ou 10 quatrilhões de anos, para ser concluído por um dos supercomputadores mais rápidos da atualidade. Este número incompreensível excede todas as escalas de tempo conhecidas na física e ultrapassa, em muito, a idade do universo.

A avaliação de como o Willow ultrapassou um dos supercomputadores clássicos mais potentes do mundo, o "Frontier", baseou-se em pressupostos conservadores. Por exemplo, a equipa da Google assumiu acesso total ao armazenamento secundário, como discos rígidos, sem qualquer sobrecarga de largura de banda — uma concessão generosa e pouco realista para o "Frontier".

Desempenho de última geração

O Willow foi fabricado nas novas instalações da Google em Santa Bárbara, EUA — uma das poucas no mundo concebidas para este propósito. A engenharia de sistemas desempenha um papel fundamental no design e na fabricação de processadores quânticos. Todos os componentes de um chip, como as portas de qubit único e de dois qubits, a reposição de qubits e a leitura, precisam de ser bem projetados e integrados.

Se algum componente apresentar atrasos ou se dois componentes não funcionarem bem em conjunto, o desempenho do sistema será comprometido. Por isso, a Google trabalhou em todas as fases do processo, desde a arquitetura e fabricação do chip até ao desenvolvimento e calibração das portas, para maximizar o desempenho do Willow.

Com 105 qubits, o Willow agora detém o melhor desempenho da sua categoria nos dois benchmarks de sistema discutidos anteriormente: correção de erros quânticos e amostragem aleatória de circuitos (RCS). Estes benchmarks algorítmicos são as melhores ferramentas para avaliar o desempenho global do chip.

Além disso, outras métricas de desempenho específicas também têm grande relevância. Por exemplo, os tempos T1, que medem o período durante o qual os qubits conseguem manter uma excitação — um recurso computacional quântico essencial —, estão agora a aproximar-se dos 100 µs (microsegundos). Esta melhoria representa um aumento impressionante de 5x em relação à geração anterior de chips.