Um novo benchmark, desenvolvido para comparar computadores quânticos em uma escala unificada, revelou diferenças significativas entre as máquinas avançadas e demonstrou que a tecnologia ainda está muito aquém da execução de algumas tarefas de cálculo para as quais foi criada.
Este teste, denominado Quantum Universal Operation Performance System (QUOPS), foi criado por uma equipe liderada pelo Sandia National Laboratories nos Estados Unidos. Os pesquisadores aplicaram este benchmark aos sistemas da Google, IBM e Quantinuum para medir não apenas a velocidade das máquinas, mas também o tamanho dos circuitos quânticos correspondentes que elas podem executar com sucesso.
O resultado mais importante foi que o melhor desempenho registrado no hardware físico foi de 1824 QUOPS. No entanto, as tarefas consideradas grandes desafios para os cálculos quânticos exigem de 250 milhões a 340 milhões de QUOPS.
Isso significa que os computadores quânticos atuais precisam aumentar sua capacidade de processamento em cerca de 100 mil vezes para atingir esse nível de aplicação.
Comparação de arquiteturas e desempenho
Os testes mostraram discrepâncias notáveis entre os computadores analisados, o que está relacionado às arquiteturas usadas para criá-los. O Helios-1, um processador de íons capturados da Quantinuum, conseguiu lidar com os cálculos mais complexos entre os sistemas avaliados, alcançando um resultado superior a 1500 QUOPS. A vantagem desta arquitetura reside no posicionamento flexível dos qubits, permitindo que interajam com qualquer outro qubit. No entanto, o movimento dos íons leva tempo, tornando o sistema relativamente lento.
Os processadores supercondutores da Google e da IBM utilizam uma abordagem diferente. Neles, os qubits são organizados em grades rígidas nos chips, o que limita a conexão entre certos qubits. Consequentemente, esses sistemas apresentaram resultados em torno de 200 QUOPS. Por outro lado, as máquinas supercondutoras são significativamente mais rápidas; o processador Willow da Google atingiu uma velocidade de 20 milhões de operações por segundo.
Limitações da medição de velocidade
Os resultados também ilustram por que medir apenas a velocidade de um computador quântico pode ser enganoso. A máquina pode executar operações muito rapidamente, mas não conseguir implementar um circuito grande o suficiente para resolver uma tarefa útil. É essa diferença que o QUOPS tenta capturar.
O potencial dos cálculos quânticos está ligado a problemas extremamente complexos, como a quebra da criptografia RSA-2048, amplamente utilizada na segurança digital, e a modelagem de moléculas complexas para aplicações químicas. Para realizar esses cálculos, são necessários aproximadamente de 250 a 340 milhões de QUOPS, enquanto o maior resultado no hardware físico atualmente foi de apenas 1824 QUOPS.
Assim, na prática, existe uma diferença de cerca de cinco ordens de magnitude entre a capacidade atual e a necessária para resolver essas tarefas. Superar essa enorme lacuna exigirá avanços em vários aspectos da tecnologia, incluindo uma redução significativa da taxa de erros, aumento do número de qubits físicos ou desenvolvimento de arquiteturas de computadores quânticos mais eficientes.
Os autores concluem a complexidade da tarefa, afirmando que o poder computacional deve aumentar em cinco ordens, o que destaca a importância de abordagens tolerantes a falhas para os cálculos quânticos. A comparação também mostra que não existe uma arquitetura claramente superior em todos os aspectos avaliados: o Helios-1 executou circuitos maiores, mas mais lentamente, enquanto a Google e a IBM alcançaram velocidades muito mais altas, mas com menores resultados de QUOPS. Essas diferenças estão diretamente ligadas à escolha feita no desenvolvimento de cada sistema.
Para os pesquisadores, a existência de um padrão comum pode ajudar a rastrear de forma mais transparente a evolução dos cálculos quânticos. Em vez de analisar indicadores isolados, como o número de qubits ou a velocidade de certas operações, o QUOPS visa medir a capacidade real das máquinas de executar circuitos de tamanho correspondente. O objetivo é permitir que cientistas e outros participantes do desenvolvimento da tecnologia acompanhem o progresso dos sistemas e verifiquem independentemente suas capacidades computacionais. O estudo que apresenta este benchmark, intitulado «Benchmarking the computational power of quantum computers», foi publicado no servidor de pré-publicações arXiv. O artigo «Novo teste coloca computadores quânticos lado a lado e revela quanto falta para máquinas úteis no mundo real» apareceu pela primeira vez no Olhar Digital.