Computador quântico de dois bits resolve problema real de otimização

Postado em 28/12/2020 por Maria Heloísa Fraga

Computação quântica, Métodos computacionais, Tecnologia

Pesquisadores da Universidade Técnica Chalmers, Suécia, demonstraram que já conseguem resolver uma pequena parte de um problema real de logística com seu computador quântico pequeno, mas funcional. Crédito: Yen Strandqvist / Universidade Técnica Chalmers (para fotomontagem)

Os computadores quânticos já conseguiram superar os computadores comuns na resolução de certas tarefas – infelizmente, tarefas totalmente inúteis.  A próxima etapa é fazer com que eles façam coisas úteis.  Pesquisadores da Universidade Técnica Chalmers , Suécia, demonstraram que já conseguem resolver uma pequena parte de um problema real de logística com seu computador quântico pequeno, mas funcional, de acordo com um comunicado à imprensa.

O interesse na construção de computadores quânticos ganhou impulso considerável nos últimos anos e um trabalho intenso está em andamento em muitas partes do mundo.  Em 2019, a equipe de pesquisa do Google fez um grande avanço quando seu computador quântico conseguiu resolver uma tarefa muito mais rapidamente do que o melhor supercomputador do mundo.  A desvantagem é que a tarefa resolvida não teve nenhum uso prático – ela foi escolhida porque foi considerada fácil de ser resolvida por um computador quântico, mas muito difícil por um computador convencional.

Desta forma, uma tarefa importante agora é encontrar problemas úteis e relevantes que estão além do alcance dos computadores comuns, mas que um computador quântico relativamente pequeno conseguiria resolver.

“Queremos ter certeza de que o computador quântico que estamos desenvolvendo pode ajudar a resolver problemas relevantes logo no início. Portanto, trabalhamos em estreita colaboração com empresas industriais”

diz a física teórica Giulia Ferrini, uma das líderes do projeto do computador quântico da Universidade Técnica de Chalmers, o qual começou em 2018.

Juntamente com Göran Johansson, Giulia Ferrini liderou o trabalho teórico quando uma equipe de pesquisadores da Chalmers, incluindo um estudante de doutorado industrial da empresa de logística de aviação Jeppesen, recentemente mostrou que um computador quântico pode resolver uma instância de um problema real na indústria de aviação.

O algoritmo comprovado em dois quibts (bits quânticos)

 Todas as companhias aéreas enfrentam problemas de agendamento.  Por exemplo, atribuir aeronaves individuais a rotas diferentes representa um problema de otimização, que cresce muito rapidamente em tamanho e complexidade à medida em que o número de rotas e aeronaves aumenta.

Os pesquisadores esperam que os computadores quânticos lidem com tais problemas melhor do que os computadores de hoje. O elemento estrutural básico do computador quântico – o Qubit – é baseado em princípios completamente diferentes dos que regem os elementos estruturais dos computadores de hoje, permitindo-os lidar com enormes quantidades de informação com relativamente poucos bits quânticos.

Contudo, devido à sua estrutura e função serem diferentes, os computadores quânticos devem ser programados de formas alternativas às dos computadores convencionais. Acredita-se que um algoritmo proposto seja útil em computadores quânticos iniciais – é o chamado algoritmo quântico de otimização aproximada (AQOA).

A equipe de pesquisa da Chalmers já executou o algoritmo mencionado satisfatoriamente em seu computador quântico – um processador com dois qubits – e mostrou que pode resolver com sucesso o problema de atribuir aeronaves a rotas.  Nessa primeira demonstração, o resultado pôde ser verificado facilmente pois a escala era muito pequena – envolvia apenas dois aviões.

Potencial para lidar com muitas aeronaves

Com esse feito, os pesquisadores foram os primeiros a mostrar que o algoritmo AQOA pode resolver na prática o problema de atribuir aeronaves a rotas.  Eles também conseguiram executar o algoritmo um nível a mais do que qualquer um antes, uma conquista que requer um hardware muito bom e um controle preciso.

“Mostramos que temos a capacidade de mapear problemas relevantes em nosso processador quântico.  Ainda temos um pequeno número de qubits, mas eles funcionam bem.  Nosso plano era primeiro fazer tudo funcionar muito bem em pequena escala, antes de expandir”

diz Jonas Bylander, pesquisador sênior responsável pelo design experimental e um dos líderes do projeto de construção de um computador quântico na Chalmers.

Os teóricos da equipe de pesquisa também simularam resolver o mesmo problema de otimização para até 278 aeronaves, o que exigiria um computador quântico com 25 qubits.

“Os resultados permaneceram bons conforme expandimos a escala.  Isso sugere que o algoritmo AQOA tem potencial para resolver esse tipo de problema em escalas ainda maiores ”

diz Giulia Ferrini.

Superar os melhores computadores de hoje exigiria, entretanto, dispositivos muito maiores.  Os pesquisadores da Chalmers já começaram a aumentar a escala e atualmente estão trabalhando com cinco bits quânticos.  O plano é atingir pelo menos 20 qubits até 2021, mantendo a alta qualidade.

Os resultados da pesquisa foram publicados em dois artigos na revista científica Physical Review Applied, a qual cobre física aplicada:

Nomeados “Improved Success Probability with Greater Circuit Depth for the Quantum Approximate Optimization Algorithm” e “Applying the Quantum Approximate Optimization Algorithm to the Tail-Assignment Problem”. Ambos estão relacionados ao algoritmo quântico de otimização aproximada.

Tradução autorizada de texto publicado pelo The Quantum Daily. Disponível em: https://thequantumdaily.com/2020/12/21/two-bit-quantum-computer-solves-real-optimization-problem/. Acesso em 27 de dezembro de 2020.

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