A IBM, renomada empresa de tecnologia, alcançou um feito notável no final do ano passado ao estabelecer o recorde de maior sistema de computação quântica.
Seu processador contava com impressionantes 433 bits quânticos, também conhecidos como qubits, que são os blocos fundamentais para o processamento de informações quânticas.
Agora, a empresa se volta para um objetivo ainda maior: construir uma máquina com 100.000 qubits nos próximos 10 anos.
No dia 22 de maio, durante a cúpula do G7 em Hiroshima, Japão, a IBM anunciou uma parceria com a Universidade de Tóquio e a Universidade de Chicago, em uma iniciativa de US $ 100 milhões.
O objetivo é levar a computação quântica para uma escala total de operação, onde essa tecnologia revolucionária possa solucionar problemas urgentes que até mesmo os supercomputadores convencionais não conseguem resolver.
No entanto, a ideia não é substituir completamente os supercomputadores clássicos, mas sim utilizá-los em conjunto com os 100.000 qubits.
Essa colaboração entre os sistemas "clássicos" e quânticos permitirá avanços significativos na descoberta de medicamentos, produção de fertilizantes, desempenho de baterias e em diversas outras aplicações.
Jay Gambetta, vice-presidente de quantum da IBM, descreve esse conceito como "supercomputação quântica", em entrevista ao MIT Technology Review em Londres.
A computação quântica explora as propriedades únicas das partículas fundamentais, como elétrons, átomos e moléculas, que podem existir simultaneamente em vários estados de energia, graças ao fenômeno da superposição.
Além disso, essas partículas podem se emaranhar, ou seja, seus estados podem estar intrinsecamente ligados uns aos outros.
Essa capacidade de codificar e manipular informações de maneiras novas e inovadoras abre portas para tarefas computacionais que antes eram consideradas impossíveis.
Até o momento, os computadores quânticos não atingiram resultados úteis que superem as capacidades dos supercomputadores convencionais.
Isso se deve principalmente à falta de qubits suficientes e à suscetibilidade dos sistemas a pequenas perturbações no ambiente, conhecidas como ruído, que interrompem o processamento.
Os pesquisadores estão explorando maneiras de lidar com sistemas ruidosos, mas a expectativa é que os sistemas quânticos precisem aumentar significativamente para se tornarem verdadeiramente úteis.
Será necessário dedicar uma grande quantidade de qubits para corrigir os erros causados pelo ruído. A IBM não é a única empresa a visar grandes avanços na computação quântica.
O Google, por exemplo, tem como meta alcançar um milhão de qubits até o final desta década, embora a correção de erros signifique que apenas 10.000 qubits estarão disponíveis para cálculos.
A empresa IonQ, sediada em Maryland, pretende ter 1.024 "qubits lógicos", cada um formado por um circuito de correção de erros composto por 13 qubits físicos, até 2028.
Já a PsiQuantum, com sede em Palo Alto, também planeja construir um computador quântico com um milhão de qubits, mas ainda não revelou sua escala de tempo ou requisitos de correção de erros.
Devido a esses requisitos, citar apenas o número de qubits físicos pode ser enganoso, pois os detalhes de como eles são construídos afetam fatores como a resiliência ao ruído e a facilidade de operação.
As empresas envolvidas geralmente fornecem outras medidas de desempenho, como "volume quântico" e o número de "qubits algorítmicos".
Nos próximos dez anos, os avanços na correção de erros, no desempenho dos qubits e na mitigação de erros por meio de software, além das diferenças fundamentais entre os diferentes tipos de qubits, tornarão essa corrida especialmente complexa de acompanhar.
Refinando o hardware
Atualmente, a IBM utiliza anéis de metal supercondutores para construir seus qubits, seguindo as mesmas regras que os átomos operam a temperaturas milikelvin, uma fração acima do zero absoluto.
Teoricamente, esses qubits podem ser operados em um grande conjunto. No entanto, segundo a própria IBM, os computadores quânticos atualmente em desenvolvimento só conseguem escalar até 5.000 qubits com a tecnologia atual.
A maioria dos especialistas concordam que esse número não é suficiente para produzir uma computação útil significativa. Para criar computadores quânticos poderosos, serão necessárias inovações e novas tecnologias.
Uma das necessidades cruciais é desenvolver um controle mais eficiente em termos de energia para os qubits. Atualmente, cada qubit supercondutor da IBM consome cerca de 65 watts para funcionar.
Jay Gambetta afirma que para construir uma máquina com 100.000 qubits, será preciso um consumo de energia tão alto que seria necessário um prédio do tamanho de uma usina nuclear e um investimento de bilhões de dólares, o que é claramente inviável. Portanto, para aumentar de 5.000 para 100.000 qubits, serão necessárias inovações significativas.
A IBM já conduziu experimentos de prova de conceito que mostram que circuitos integrados baseados na tecnologia CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) podem ser instalados próximos aos qubits frios, permitindo o controle dos qubits com apenas algumas dezenas de miliwatts de energia.
No entanto, Gambetta admite que ainda não existem tecnologias disponíveis para alcançar a supercomputação quântica em sua plenitude. Por esse motivo, a pesquisa acadêmica desempenha um papel vital no projeto.
Os qubits serão implementados em um tipo de chip modular que está em estágio inicial de desenvolvimento nos laboratórios da IBM.
A modularidade é essencial, pois será impossível colocar um número suficiente de qubits em um único chip. Portanto, serão necessárias interconexões para transferir informações quânticas entre os módulos.
O "Kookaburra", um processador multichip da IBM com 1.386 qubits e um link de comunicação quântica, está sendo desenvolvido e tem previsão de lançamento para 2025.
Contribuições das universidades
Pesquisadores das universidades de Tóquio e Chicago já fizeram progressos significativos em áreas como componentes e inovações de comunicação, que podem ser partes vitais do produto final, segundo Gambetta.
Ele acredita que haverá cada vez mais colaborações entre a indústria e as universidades ao longo da próxima década. Gambetta destaca a importância de ajudar as universidades a desenvolver o que fazem de melhor.
O Google compartilha dessa mesma visão e, em um acordo separado, está investindo US $ 50 milhões para financiar pesquisas em computação quântica nessas duas universidades.
Gambetta também enfatiza a necessidade de mais "cientistas computacionais quânticos" na indústria, profissionais especializados em fazer a ponte entre os físicos que criam as máquinas e os desenvolvedores que buscam projetar e implementar algoritmos úteis.
Importância do software e colaboração
O software executado em máquinas quânticas desempenhará um papel vital. Gambetta afirma que é essencial desenvolver rapidamente o setor e uma maneira eficaz de fazer isso é incentivar o desenvolvimento de bibliotecas de software equivalentes às utilizadas na computação clássica.
É por isso que a IBM tem trabalhado para disponibilizar seus sistemas para pesquisadores acadêmicos nos últimos anos. Os processadores quânticos da IBM podem ser acessados através de computação em nuvem, usando interfaces personalizadas que exigem um conhecimento técnico mínimo em computação quântica.
Segundo Gambetta, cerca de 2.000 estudos de pesquisa já foram publicados com base em experimentos realizados com os dispositivos quânticos da empresa, o que indica um progresso significativo.
Embora os US $ 100 milhões destinados a esse projeto não garantam o alcance da meta de 100.000 qubits, Gambetta reconhece que há riscos envolvidos.
Joe Fitzsimons, CEO da Horizon Quantum, concorda e afirma que provavelmente haverá obstáculos inesperados ao longo do caminho.
No entanto, ele destaca a importância de assumir esses riscos, superar os desafios técnicos e enfrentar o medo do fracasso. Fitzsimons considera o plano da IBM razoável, embora existam muitos desafios potenciais.
Ele ressalta que, em uma escala tão grande, os sistemas de controle serão um fator limitante e precisarão evoluir significativamente para oferecer suporte a um número tão grande de qubits de maneira eficiente.
Atualmente, a IBM está liderando a corrida pela criação de um computador quântico poderoso, com a meta ambiciosa de construir uma máquina de 100.000 qubits nos próximos 10 anos.
Em parceria com universidades e investindo em pesquisa e desenvolvimento, a empresa busca superar os desafios tecnológicos e avançar na supercomputação quântica.
A colaboração entre os sistemas quânticos e os supercomputadores convencionais promete trazer avanços significativos em várias áreas, mas ainda há um longo caminho a percorrer para alcançar a visão de um futuro com computadores quânticos de alto desempenho.
Via: IBM
