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Quer softwares mais inteligentes? Guarde o tempo em uma superposição quântica

Quer simuladores mais eficientes? Guarde o tempo em uma superposição quântica
Visão artística de um cronômetro quântico, em que o tempo é medido através de estados de superposição.[Imagem: Mile Gu/Centre for Quantum Technologies]

Simulação quântica do tempo

Os simuladores computacionais são cada vez mais importantes, sendo usados para estudar desde o fluxo de tráfego de uma cidade e o disparo neural no cérebro, até a formação das galáxias e do Universo inteiro.

O problema é que os modelos de computador que simulam sistemas tendem a consumir memória demais, impedindo que esses simuladores tornem-se mais poderosos.

Mas uma nova abordagem baseada em simuladores quânticos promete reduzir significativamente esse uso de memória ao usar uma abordagem quântica do tempo.

O único custo é que perderemos um pouco da memória do passado, dizem Mile Gu e Thomas Elliott, da Universidade Nacional de Cingapura.

Tempo discreto e tempo contínuo

Para executar uma simulação, um computador precisa cortar o tempo em fatias. Pense em uma maneira antiga de medir o tempo: a ampulheta. "Amplie uma ampulheta e se poderá ver os grãos individuais de areia caindo um por um. É um fluxo granular [do tempo]," compara Gu.

Assim como a ampulheta precisa de areia mais fina para fazer uma medição de tempo mais precisa, um computador precisa de fatias de tempo menores para fazer simulações mais precisas. De fato, o ideal seria simular o tempo de forma contínua porque, pelo melhor das nossas observações, o tempo parece ser contínuo. Mas isso implica que um simulador clássico precisaria de memória infinita para executar esse programa.

Embora isso seja impossível com um computador clássico, os efeitos quânticos podem fornecer uma saída. "Com um simulador quântico, você pode evitar a disputa precisão versus armazenamento com que você tem que lidar com um dispositivo clássico," explica Elliott.

Quer simuladores mais eficientes? Guarde o tempo em uma superposição quântica
Este simulador quântico de 51 qubits é o maior já construído até agora. [Imagem: sakkmesterke/MIT]

Simulador clássico

Para entender melhor o problema, imagine que você precisa pegar um ônibus. Se você chegar no ponto a tempo de ver um ônibus saindo, sabe que terá que esperar que o próximo ônibus demore mais para chegar do que se você não tivesse visto aquele que acabou de passar. Isso porque a probabilidade de um ônibus chegar não é sempre constante, dependendo de quanto tempo se passou desde o último ônibus.

Para simular processos semelhantes, em que a probabilidade muda ao longo do tempo, um computador eletrônico calcula resultados em intervalos de tempo definidos. Ele pode, por exemplo, dividir as probabilidades para os horários de chegada do ônibus em intervalos de 30 segundos, atualizando essas probabilidades após cada intervalo, dependendo de se um ônibus chegou ou não. Para obter mais precisão sobre quando um ônibus virá, ou para modelar com precisão redes de tráfego maiores e mais complicadas, será necessário usar intervalos menores de tempo e, portanto, mais memória.

Nesta abordagem clássica, faz-se uma previsão contando quanto tempo decorreu desde o ônibus anterior. Isso parece lógico, e de fato é o melhor método clássico. A física quântica, no entanto, permite uma abordagem completamente diferente.

Simulador quântico

Um simulador quântico pode estar em vários estados diferentes ao mesmo tempo, cada um com a própria probabilidade de ser real - este é um fenômeno conhecido como superposição quântica.

A proposta de Gu e Elliott é codificar a distribuição de probabilidades temporais para o evento que se quer simular na probabilidade ponderada dos diferentes estados quânticos. Se a superposição for criada em uma propriedade que pode evoluir continuamente - a posição de uma partícula, por exemplo -, então o tempo também pode ser rastreado continuamente. Portanto, é possível descartar algumas informações sobre o tempo decorrido, alcançando uma maior eficiência no uso da memória sem sacrificar a precisão preditiva.

O ganho vem às custas de se perder o conhecimento do passado. O tempo decorrido - um registro do passado, em outras palavras - não pode ser recuperado da superposição com exatidão, mas toda a capacidade de previsão do futuro é mantida.

"Em última análise, ao fazer previsões, não nos preocupamos com o que já vimos. Em vez disso, nos preocupamos apenas com o que essas observações nos dizem sobre o que esperamos ver a seguir. A física quântica nos permite isolar eficientemente essa informação," disse Elliott.

É mais uma demonstração dos ganhos que poderão advir quando conseguirmos superar a chamada supremacia quântica, o ponto a partir do qual e evolução do hardware quântico permitirá que esses processadores futurísticos superem os processadores eletrônicos clássicos. Como em tudo nessa área, resta agora implementar esse mecanismo na prática, para ver se ele rende mesmo todos os ganhos previstos na teoria.

Bibliografia:

Superior memory efficiency of quantum devices for the simulation of continuous-time stochastic processes
Thomas J. Elliott, Mile Gu
Nature Quantum Information
Vol.: 4, Article number: 18
DOI: 10.1038/s41534-018-0064-4




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