Jogo testa comportamento quântico com até 55 qubits

Como verificar se um processador está usando propriedades quânticas de uma maneira que uma estratégia clássica não consegue reproduzir? Um estudo publicado em 5 de setembro na Nature Communications propõe um teste em forma de jogo. A equipe de Marcello Benedetti e Harry Buhrman, da Quantinuum, construiu regras que permitem demonstrar matematicamente o limite clássico e depois confrontou esse limite com resultados de um processador real.

O jogo começa com sequências de zeros e uns, todas do mesmo comprimento. Um árbitro divide as sequências possíveis em dois grupos de igual tamanho e mantém a divisão em segredo. O jogador recebe uma única cópia de um estado quântico preparado a partir do primeiro grupo e deve devolver uma sequência pertencente ao segundo. Na estratégia clássica considerada, o estado recebido é medido imediatamente, revelando apenas uma sequência do primeiro grupo. Essa informação permite descartar a sequência conhecida, mas deixa grande incerteza sobre as demais: conforme o comprimento aumenta, a melhor taxa de acerto clássica se aproxima de metade das tentativas.

O jogador quântico pode agir antes dessa medição. O estado recebido combina as possibilidades do primeiro grupo em uma superposição: elas participam juntas da evolução física do sistema, embora uma medição final revele somente uma resposta. Um circuito reorganiza as amplitudes, grandezas que determinam as probabilidades de medição, para transferir as possibilidades ao grupo complementar. No modelo ideal, sem erros, a resposta passa a pertencer sempre ao segundo grupo. Os pesquisadores escolheram divisões com uma estrutura matemática que torna eficiente tanto preparar o estado quanto verificar a resposta.

A equipe executou o protocolo no H2, um processador que armazena informação quântica em íons aprisionados, usando até 55 qubits, as unidades dessa informação. A maior configuração trabalhou com sequências de 37 bits. Para avaliar o dispositivo, os pesquisadores combinaram rodadas do jogo com rodadas que verificavam a preparação do estado. A pontuação conjunta caiu nas configurações maiores, afetadas por mais erros, mas permaneceu acima do limite clássico nos testes relatados.

O crescimento exponencial destacado no artigo se refere a uma razão entre pontuações ajustadas: o excesso da pontuação quântica sobre a referência é comparado ao maior excesso clássico sobre essa mesma referência. Não significa que a taxa de acerto cresceu exponencialmente nem que o H2 executou um programa exponencialmente mais rápido. A contribuição é um procedimento verificável para distinguir os dois tipos de comportamento sob regras explícitas de acesso à informação.

O estudo mostra, portanto, uma forma de testar processadores quânticos com um limite clássico demonstrado, sem depender de conjecturas sobre a dificuldade de resolver certos problemas. O próximo passo proposto é realizar o jogo entre dispositivos fisicamente separados, conectados por um canal quântico real. No experimento apresentado, os papéis de árbitro e jogador foram implementados dentro do mesmo processador.