Vantagem quântica, supremacia quântica e utilidade quântica: o que as palavras significam

Três expressões aparecem o tempo todo na cobertura de computação quântica: supremacia quântica, vantagem quântica e utilidade quântica. Às vezes são tratadas como sinônimos e às vezes como degraus de uma escada de progresso. Não são nem uma coisa nem outra. Elas vêm de artigos e palestras diferentes, fazem comparações diferentes e todas podem ser usadas com cuidado ou sem cuidado.

Este guia explica de onde vieram essas palavras, o que uma afirmação responsável precisa especificar e como lê-las ao lado de ideias mais básicas, como qubits e correção de erros. Ele complementa a nossa checklist sobre como ler um anúncio de computação quântica.

Supremacia quântica

John Preskill introduziu a expressão “supremacia quântica” (quantum supremacy) em uma palestra de relator em 2012, publicada depois como “Quantum computing and the entanglement frontier”. Ele a usou para o momento esperado em que um sistema quântico bem controlado conseguiria realizar uma tarefa que vai além do que os computadores digitais comuns conseguem. Nessa palestra, uma demonstração convincente de supremacia não precisava resolver um problema industrial útil. Podia ser uma tarefa artificial, escolhida porque é difícil de simular classicamente e possível de executar no hardware de curto prazo.

Esse significado — um dispositivo quântico fazendo alguma coisa que desafia ou supera a simulação clássica plausível, não necessariamente algo por cujo cálculo alguém pagaria — foi o que se consolidou na literatura científica.

A afirmação mais conhecida veio em outubro de 2019, quando o Google e colaboradores publicaram na Nature “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Eles relataram um experimento de amostragem de circuitos aleatórios no processador Sycamore, de 53 qubits, e estimaram que uma tarefa que levava cerca de 200 segundos no dispositivo quântico levaria cerca de 10.000 anos em um supercomputador de ponta. Esses números são estimativas dos autores, e não uma constante universal da natureza: dependem de como se modela a simulação clássica.

Pesquisadores da IBM responderam publicamente, inclusive em um post de blog intitulado “On ‘quantum supremacy’”, argumentando que uma simulação clássica mais cuidadosa — em especial, uma que aproveitasse melhor o armazenamento secundário — poderia concluir a mesma tarefa de amostragem em questão de dias, e não de milênios. A divergência não era sobre se o Sycamore havia executado um circuito difícil. Era sobre o que significava “fora do alcance dos computadores clássicos” quando o algoritmo clássico e o modelo de máquina eram especificados de forma mais generosa.

Esse debate é o modelo para ler qualquer afirmação posterior do tipo supremacia: dê nome à tarefa, ao dispositivo quântico e à referência clássica, e espere que essa referência se mova à medida que os algoritmos clássicos melhorarem.

Vantagem quântica

“Vantagem quântica” (quantum advantage) é usada de duas maneiras que se sobrepõem, e é por isso que causa problemas.

Em um uso, é um sinônimo mais brando de supremacia: um computador quântico supera um computador clássico em uma tarefa bem definida. Alguns pesquisadores preferem “vantagem” porque, em inglês, supremacy tem conotações políticas que nada têm a ver com física. Quando um artigo diz que evita a palavra supremacia por esse motivo, normalmente continua falando de uma comparação computacional, e não de um produto que seja, de modo geral, melhor do que os computadores clássicos.

No outro uso, “vantagem” fica reservada para um ganho de velocidade (ou uma melhoria de custo ou de energia) em um problema com que as pessoas já se importam — química, materiais, otimização, criptografia —, e não em uma tarefa de amostragem inventada para a comparação. Nesse uso mais estrito, um experimento de amostragem de circuitos aleatórios pode ser supremacia sem ser vantagem.

Não dá para saber qual significado um anúncio pretende, a menos que ele diga o que foi comparado com o quê. Uma manchete que diz apenas “vantagem quântica alcançada” está incompleta.

Utilidade quântica

“Utilidade” (quantum utility) passou a circular amplamente depois de um artigo de 2023 na Nature assinado por Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala e colegas da IBM e de parceiros acadêmicos: “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. O experimento executou circuitos em um processador supercondutor ruidoso de 127 qubits, incluindo circuitos com até 60 camadas de portas de dois qubits (2.880 portas CNOT nos maiores casos destacados). Os autores argumentaram que conseguiam medir valores esperados precisos em uma escala além da computação clássica por força bruta e que, em um regime fortemente emaranhado, seus resultados continuavam confiáveis onde alguns dos principais métodos clássicos aproximados, incluindo certas abordagens de redes tensoriais, falhavam.

Duas ressalvas decorrem diretamente do próprio artigo. Primeiro, os autores apresentam o trabalho como evidência de utilidade em uma era anterior à tolerância a falhas — uma base para explorar métodos de curto prazo —, e não como uma afirmação de que uma aplicação comercial já supera qualquer solucionador clássico. Segundo, eles comparam com técnicas clássicas específicas (simulação por força bruta onde ela ainda se aplica e métodos aproximados determinados onde não se aplica). Algoritmos clássicos posteriores podem reduzir ou fechar essa diferença, assim como o trabalho de simulação clássica respondeu a partes da comparação de supremacia de 2019.

Em uma linguagem de marketing mais solta, “utilidade” às vezes é esticada para significar “os clientes estão obtendo valor do nosso sistema quântico”. Isso pode ser uma afirmação comercial razoável. Não é a mesma afirmação do artigo de 2023.

Como essas palavras se relacionam com NISQ e tolerância a falhas

O ensaio posterior de Preskill sobre NISQ (2018) descreveu uma era de dispositivos com dezenas a centenas de qubits ruidosos, interessantes o suficiente para realizar experimentos difíceis de simular, mas ainda sem a proteção de uma correção de erros totalmente tolerante a falhas. Experimentos de amostragem do tipo supremacia pertencem naturalmente a essa era: eles perguntam se um dispositivo ruidoso consegue superar a simulação clássica em uma tarefa feita sob medida.

Os algoritmos úteis e de grande escala discutidos nos livros-texto geralmente pressupõem uma máquina tolerante a falhas, na qual qubits lógicos e portas lógicas são confiáveis o bastante para executar circuitos profundos. Esse é um marco diferente de supremacia, vantagem ou utilidade. Um grupo pode relatar avanços em correção de erros sem alegar vantagem, e pode relatar um experimento do tipo supremacia sem ter um qubit lógico.

Misturar essas camadas — “demonstramos a supremacia, portanto os algoritmos úteis chegaram” — é o salto mais comum nos textos de divulgação. Os próprios artigos experimentais raramente dão esse salto.

Um teste de leitura para qualquer uma das três afirmações

Seja qual for a palavra escolhida por um anúncio, as mesmas perguntas se aplicam:

• Tarefa. Qual entrada é fornecida, qual saída é produzida e por que essa saída é difícil de obter classicamente?
• Dispositivo quântico. Quantos qubits, qual modalidade, qual profundidade de circuito e qual mitigação ou correção de erros foi usada?
• Referência clássica. Qual algoritmo, qual máquina, quanto tempo e quanta memória, e quem escolheu a implementação — a equipe quântica ou um grupo clássico independente?
• Verificação. Como alguém sabe que a saída quântica está correta quando o problema é grande demais para ser simulado de forma exata?
• Estabilidade da afirmação. Algum método clássico posterior já reduziu a diferença? Afirmações de supremacia e de vantagem podem encolher sem que haja erro algum no experimento original.
• Utilidade. A tarefa é algo que um usuário de fora do experimento queria resolver, ou é um benchmark construído para a comparação?

Se essas respostas estiverem no artigo ou no post técnico, a palavra da manchete importa menos. Se não estiverem, a palavra da manchete não tem como supri-las.

Como a DesignQuantum^™ usa esses termos

Nas nossas notícias, preferimos repetir a comparação que o grupo responsável pelo anúncio de fato fez, com as palavras dele devidamente atribuídas, e depois colocar o link para o artigo ou o post. Só usamos “supremacia”, “vantagem” ou “utilidade” com a nossa própria voz quando está claro a qual comparação nos referimos. Quando um comunicado usa uma dessas palavras sem uma comparação, tratamos isso como uma afirmação de quem fala, e não como um resultado que avaliamos de forma independente.

O vocabulário vai continuar mudando. O que não deveria mudar é a exigência de que uma afirmação computacional diga qual é a sua tarefa e qual é a sua referência.