Investigação INESC TEC sobre aplicação de funções booleanas na computação quântica integra publicação de referência

Investigadores do INESC TEC desenvolveram estudo para testar a capacidade de execução de qualquer função booleana em computadores quânticos concebidos segundo o modelo de computação quântica baseada em medições com uma única camada de medidas.

Pode não ser do seu conhecimento, mas o dispositivo em que está a ler esta notícia tem inerente ao seu funcionamento uma computação que dá pelo nome de função booleana — capaz de resolver questões binárias, como perceber se uma palavra-passe está correta ou não. Mas serão as funções booleanas viáveis nos computadores quânticos, concebidos num modelo de computação quântica baseada em medições?

Atualmente, a maioria dos computadores quânticos, principalmente os usados pelas grandes empresas, assentam no modelo de circuitos. No entanto, o modelo de computação quantica baseado em medidas tem, como fator diferenciador dos demais, o facto não realizar as computações ao executar gates lógicas sobre os seus bits quânticos, mas sim através de um processo inicial que entrelaça todos os bits quânticos necessários para a computação e, posteriormente, obtém os resultados através de medições sequenciais e adaptativas sobre os mesmos bits quânticos.

Como tal, Michael Oliveira, em co-autoria com Luís Soares Barbosa, investigadores do INESC TEC, dedicou-se a desenvolver métodos de determinação e compilação de circuitos quânticos para os modelos baseados em medidas. De forma a apurar os resultados, focaram-se na avaliação das funções booleanas. No artigo Quantum advantage in temporally flat measurement-based quantum computation — publicado no Quantum Journal e apresentado na conferência Asian Quantum Information Science — o investigador foca-se na descrição destas computações e demonstra que, pelo menos para uma das subclasses, existe uma vantagem quântica.

Para proceder a esta avaliação, explica Michael Oliveira, é preciso identificar que estados e medidas são necessários, para obter a resposta desejada enquanto se processa os resultados dessas medições. Tal já era sabido anteriormente, no entanto, o método para realizar tais computações, com as medições corretas a realizar, era desconhecido. Fez ainda parte da investigação a comparação destas computações face às computações clássicas em termos de eficiência. Por exemplo, apurar o menor tempo de execução e número de instruções necessários para os cálculos.

Este modelo, segundo o investigador, já se mostrou útil para facilitar a compreensão da existência de vantagens quânticas. “Este modelo está intrinsecamente ligado aos estados quânticos e recursos inacessíveis a computadores clássicos. São precisas medidas adaptativas, de forma a desbloquear todo o seu potencial.” Estas medidas começam pela criação de um estado quântico, avançando para a medição de alguns qubits e aguardar pelos resultados para, posteriormente, medir os subsequentes.

No entanto, este processo também tem associadas inúmeras dificuldades, nomeadamente a manutenção dos estados quânticos estáveis após a primeira sequência de medições. Uma solução explorada foi a existência de soluções passíveis de computação sem esta necessidade. Ou seja, dedicaram-se a estudar o que pode ser calculado com os recursos de que dispõem nos laboratórios contemporâneos, onde as computações são realizadas.

“Este trabalho faz parte de uma série de estudos que procuram responder a uma das questões fundamentaisda computação quântica: em que tipo de computações os computadores quânticos são superiores.” O exemplo mais notório, aponta Michael Oliveira, é a capacidade de decifrar códigos clássicos, o que ameaça a segurança das comunicações digitais. Pode ainda existir uma vantagem computacional significativa na simulação de processos químicos — o que poderá revolucionar o desenvolvimento de novos medicamentos.

As dúvidas quanto à vantagem dos computadores quânticos aplicam-se, ainda assim, a problemas de várias ordens. Como tal, provar a existência de uma vantagem para um espectro amplo de computações, como o das funções booleanas, é um objetivo ambicioso que permitiria aos investigadores afirmar, por exemplo, que “os computadores quânticos trazem benefícios para quase todas as nossas aplicações computacionais”.

Os investigadores INESC TEC mencionados têm vínculo ao INESC TEC e à UMinho.