A principal promessa da computação quântica é resolver em questão de dias problemas em áreas como matemática, finanças e sistemas biológicos tão complexos que um computador clássico levaria centenas de anos para calcular.

No entanto, esses supercomputadores esbarram na barreira do ruído, provocado por problemas de hardware que geram resultados falhos. “Minha pesquisa está no nível do algoritmo. E meu objetivo é descobrir, dado esse ruído no dispositivo, o que podemos fazer sobre isso ao implementar algoritmos quânticos”, diz Xiu Yang, professor assistente de engenharia industrial e de sistemas na Faculdade de Engenharia e Ciência Aplicada da Universidade de Lehigh Rossin, nos EUA.

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O ganhador do prêmio NSF CAREER 2022, Xiu Yang, é professor assistente no Departamento de Engenharia Industrial e de Sistemas da Universidade de Lehigh, nos EUA. O foco de suas pesquisas está em algoritmos de computação quântica para a computação científica. Imagem: Ryan Hulvat/Meris

Yang ganhou recentemente o apoio do programa de desenvolvimento precoce de carreira (CAREER) da National Science Foundation — uma bolsa de US$400 mil ao longo de cinco anos — para sua proposta de desenvolver métodos para modelar a propagação de erros em algoritmos de computação quântica e filtrar o ruído decorrente nos resultados.

Segundo o site Eurekalert, o prêmio NSF CAREER é concedido anualmente a membros do corpo docente em todo o território norte-americano que mesclam a função de professores universitários com pesquisas de destaque.

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Yang usará métodos estatísticos e matemáticos de ponta para avaliar a incerteza induzida pelo ruído do dispositivo em algoritmos de computação quântica. Ele acredita que seu trabalho poderia ajudar a avançar a aplicação da computação quântica no mundo real em uma ampla gama de campos, como o desenvolvimento de medicamentos, otimização de portfólio e criptografia de dados, onde a tecnologia é vista como um potencial divisor de águas.

“Meu primeiro objetivo é modelar o acúmulo de ruído”, explicou. “Então, por exemplo, se eu executar um algoritmo iterativo, o ruído ou o erro do dispositivo se acumularão através de cada iteração. É possível que, para alguns algoritmos, o erro seja tão grande que o resultado do algoritmo seja inútil. Mas, em outros casos, pode não ser bastante significativo”.

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Yang diz que, nesses casos, o ruído que está contaminando o resultado pode ser filtrado. “Então, primeiro preciso ver como o erro se propaga e, em seguida, se eu souber o quanto ele contaminou o resultado, posso determinar se os resultados são inúteis, ou se o ruído pode ser filtrado para obter o resultado desejado”.

Para isso, o pesquisador pretende investigar vários tipos de algoritmos para determinar como eles são afetados e se eles precisam ou não ser redesenhados. “Basicamente, estou analisando a adequação dos algoritmos quânticos em computadores quânticos”, diz ele. “Portanto, esta é uma análise numérica quântica de uma perspectiva probabilística”.

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Segundo Yang, o objetivo final é permitir que a computação quântica atinja sua promessa de velocidade incomparável quando se trata de resolver problemas altamente complexos como aqueles sistemas físicos e químicos que envolvem interações entre milhões de moléculas.

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“Digamos que uma empresa farmacêutica queira projetar uma nova droga ou vacina. Eles precisam entender a interação entre todas essas partículas”, explicou Yang. “Se eu usasse um computador clássico, esse processo seria muito lento. Mas com um computador quântico, seria muito, muito rápido”.

Ele diz que o prêmio não só ajuda seu campo a se aproximar dessa realidade, mas também reflete um reconhecimento fora de sua comunidade de pesquisadores de que o potencial da computação quântica vale o investimento. “Este prêmio é da Divisão de Fundações de Computação e Comunicação da NSF e de sua Divisão de Ciências Matemáticas. O que significa que as pessoas da comunidade de matemática e estatística estão agora se interessando pela computação quântica. Eles percebem que essa é uma área muito importante, e nós podemos fazer uma contribuição”.

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