O futuro dos computadores quânticos está quase chegando - mas estamos prontos para isso?

Ao se aproximar do tempo de equipamentos novos e úteis, o fator humano na computação se torna crítico

O futuro da computação é um enorme tanque de metal? Ficarei decepcionado se descobrir que por dentro está apenas sentado um cara com um laptop e um google.

Yorktown Heights, Nova Iorque. Estou na sala onde está localizada uma das opções para computação futura. O computador em si não causa muita impressão e parece um tanque de metal pendurado no teto. O barulho impressiona - as batidas metálicas periódicas predominantes na sala. Esse é o som do sistema de refrigeração, levando o equipamento a uma temperatura próxima ao zero absoluto. E não há chip comum sendo resfriado por lá - essa é a abordagem da IBM para a computação quântica.

Em 2016, a IBM fez um anúncio sensacional convidando o público a experimentar uma versão inicial de seu computador quântico, que continha apenas cinco qubits - isso é muito pouco para cálculos sérios, mas é suficiente para que as pessoas obtenham experiência real em programação usando novas tecnologias. A tecnologia estava se desenvolvendo rapidamente e a IBM instalou mais tanques em sua sala quântica de computadores e adicionou novos processos, conforme necessário. A empresa já expandiu o projeto para 20 qubits e anunciou com otimismo que está preparando uma versão com 50 qubits.


Como muitos dos primeiros computadores da empresa, o novo computador quântico da IBM é colocado em uma caixa bege

Quando visitamos recentemente o centro de pesquisa. Thomas Watson, os pesquisadores da empresa, foram mais cautelosos em suas declarações, enfatizando que não fizeram promessas e que um computador de 50 qubit era apenas mais um marco no caminho para o futuro dos computadores quânticos. Mas eles nos convenceram de que a IBM está garantida para participar desse futuro, principalmente devido às peculiaridades do ecossistema que a empresa cria em torno de suas primeiras tentativas.

Blocos de construção de aparas

Para criar qubits, a IBM usa fios supercondutores conectados ao ressonador, montados em um substrato de silício. Os fios e o substrato permitem que a empresa use toda a experiência adquirida na criação de circuitos eletrônicos, mas, neste caso, o fio é uma mistura de nióbio com alumínio, o que permite sua supercondução em temperaturas extremamente baixas. Jerry Chau, que nos mostrou a sala de inspeção de equipamentos, diz que a empresa ainda está experimentando detalhes na área de melhoria de qubits e está testando várias fórmulas e geometria.

O ressonador é sensível à frequência do microondas, o que permite atribuir ou ler o valor do qubit usando pulsos de microondas. Cada chip possui elementos ópticos que recebem microondas na entrada e os direcionam para qubits individuais. As microondas sozinhas não se destacam; portanto, a entrada de dados é organizada usando componentes pré-fabricados existentes. A única dificuldade é transferir os dados de entrada para um chip profundamente imerso em um tanque de hélio líquido. Os equipamentos projetados para isso não devem apenas suportar temperaturas extremamente baixas, mas também sobreviver aquecendo de volta à temperatura ambiente. Embora, uma vez resfriado, o equipamento possa funcionar sem parar, sem a necessidade de substituição.


Parte do sistema de refrigeração contido nos tanques. O hélio líquido permite baixar as temperaturas para quase zero absoluto

A computação quântica é baseada nos meandros dos qubits. Chow nos disse que, para confundir dois dos qubits, você pode confiar no fato de que eles têm frequências ressonantes ligeiramente diferentes. Se abordarmos cada membro de um par de qubits usando a frequência ressonante de seu parceiro, eles poderão ficar confusos. Em seguida, conjuntos de pares podem ser enredados em sistemas de ordem superior. A coerência do qubit é mantida por 100 μs, mas alguns qubits podem ser confundidos por 10 ns. Chow disse que agora são necessários vários microssegundos para emaranhar o chip, o que dá tempo suficiente para preparar todo o sistema e realizar cálculos.

Então, se tudo é tão simples, por que ainda não temos um chip de 50 qubit?


Controle de resfriamento externo - mas não um computador quântico

O problema é que os qubits são extremamente sensíveis ao ruído externo. Pode haver ruído fora do dispositivo (embora um tanque de metal ajude a proteger o chip). Pode ser ruído interno - um sistema de refrigeração, cabos de microondas, os próprios componentes do chip - tudo isso pode interagir com qubits. E qualquer interação é catastrófica para cálculos.

Isso significa que qualquer alteração na arquitetura do chip, mesmo a adição de um único qubit, pode potencialmente alterar a frequência e o tipo de erros ao realizar cálculos. A IBM está envolvida em uma modelagem rigorosa, tentando limitar esses problemas à fabricação do chip, mas, em certo sentido, é um processo empírico e passo a passo: você precisa usar o chip e ver o que acontece. "A adição de novos qubits nos permitirá identificar fontes de ruído e diafonia", disse Chau.

Isso também é indicado por Sarah Sheldon, uma das cientistas que trabalha em sistemas de microondas que controlam e leem dados de qubits. "Temos boas ferramentas para descrever os componentes individuais, mas não existem métodos adequados para descrever o dispositivo inteiro", disse Sheldon. "Quando aumentamos o sistema, somos confrontados com situações nas quais controlar um qubit pode levar a erros em outro lugar." Mais tarde, ela acrescentou: "Estamos nos aproximando do limite após o qual esses dispositivos classicamente não podem mais ser simulados - e como dizer se eles funcionam corretamente?"


E tudo por causa disso? Um dos chips de teste de um computador quântico

Superioridade ou volume?

A idéia de um computador quântico é que ele pode realizar cálculos de um certo tipo cardinalmente mais rápido que os computadores comuns. Empregando um número suficiente de qubits, um computador quântico será capaz de lidar com tarefas que um computador tradicional levaria mais tempo para resolver do que o universo existe. O limite, depois de cruzar o qual um computador quântico pode fazer isso, foi apelidado de "superioridade quântica". O Google, tendo anunciado seus desenvolvimentos no campo da computação quântica em março de 2018, mencionou esse conceito.

Naturalmente, o Google formulou seu conceito de superioridade quântica em termos do número permitido de erros (uma quantidade que não toleraríamos de um computador tradicional). A IBM, por outro lado, está desenvolvendo qubits de correção de erros. Infelizmente, este sistema requer vários qubits adicionais. Bob Sator, vice-presidente de computação quântica da IBM, sugeriu que um computador quântico com várias centenas de qubits de correção de erros precisaria de milhares de qubits para funcionar.



Lembre-se de que a empresa ainda está trabalhando em um sistema com 50 qubits que não estão envolvidos na correção de erros. Num futuro próximo, a superioridade quântica não nos ameaça.

Em vez disso, a IBM sugere começar a pensar em termos de "volume quântico", uma medida que combina o número de qubits usados ​​nos cálculos com o número de erros. O volume quântico permitiria uma comparação significativa dos computadores da IBM e das máquinas que o Google descreveu. No entanto, essa medida não nos permitirá saber o quão útil cada uma dessas máquinas será.

E, até certo ponto, a resposta a essa pergunta parece: "Depende". Em alguns casos, você pode aceitar com segurança os erros. A fatoração simples de um grande número, por exemplo, pode ser verificada instantaneamente em um computador clássico. Em outros casos, erros tornarão o resultado dos cálculos não confiáveis ​​e não haverá uma maneira fácil de verificá-lo. Portanto, os computadores atuais são um pouco estranhos. "Nós podemos fazer algo cujo comportamento não pode ser previsto classicamente e cujo trabalho não é propenso a erros", disse Jay Gambetta, gerente do grupo de computação quântica e estudo de informações da IBM. "Não sabemos o que pode ser calculado com a ajuda deles."

Ele observou que muitos algoritmos clássicos de computador foram criados e somente então sua eficácia foi comprovada. No caso dos computadores quânticos, é bastante difícil provar alguma coisa.

Você pode simplesmente recorrer à estatística: execute o algoritmo várias vezes (potencialmente eliminando parte ou toda a vantagem da aceleração quântica) e obtenha a resposta mais frequente. A IBM resolve esse problema, em particular, através do envolvimento do público, convidando todos a experimentar seus computadores. Se eles são úteis para algo no estado atual, há uma chance de alguém adivinhar.

SDK para QC

Como atrair o público para trabalhar em uma máquina que precisa de uma infraestrutura que forneça refrigeração líquida de hélio e que não possa executar o software existente? Parte da resposta à pergunta está localizada em uma das paredes da sala de computadores, na forma de um servidor mais tradicional, com base no microprocessador POWER . O servidor aceita tarefas enviadas por pessoas que se inscreveram para testar equipamentos quânticos. Entre eles, existem grandes empresas financeiras e estudantes estudando ciência da computação.

Mas a IBM conta com outra parte da resposta: o SDK de alto nível, que ele chama de QISKit. Como descreve seu desenvolvedor de sistemas de controle Sarah Sheldon, os pulsos de microondas desse sistema dependem de um conjunto arbitrário de geradores de formas de onda, misturadores e amplificadores. Mas o QISKit permite que os usuários ignorem todos esses detalhes. Ele lhes permite atribuir o estado inicial dos qubits individuais e suas conexões, e então o software - algo como um compilador quântico - converte isso em um conjunto de pulsos de luz necessários para o sistema funcionar como deveria. "Você nunca terá pulsos de microondas", promete Jay Gambetta.

A programação ocorre no Python, permitindo que as pessoas usem as habilidades existentes.


O sistema de refrigeração está fechado e o hélio não precisa ser substituído

A simplificação do acesso é uma maneira segura de incentivar a participação de terceiros, mas o sucesso da empresa colocou a IBM na tarefa de gerenciar a comunidade. Gambetta enfatizou que o QISKit e o compilador complementar foram criados para obter um sistema operacional. Ele discutiu como tornar o sistema mais modular para incluir contribuições de vários usuários - em sua opinião, a equipe da IBM já acumulou mais contribuições para o código do que ele pode suportar. Ele também mencionou que gostaria de começar a coletar algo como bibliotecas de códigos, observando que coisas como implementar uma transformação rápida de Fourier mostraram seu valor na solução de um grande número de problemas.

E embora a IBM incentive esses esforços, Gambetta também espera que as pessoas despertem naturalmente interesse nesse tópico. Desde o nascimento, a computação quântica está em grande parte no campo da física. Os cientistas da computação não viram nenhuma razão para fazer isso, porque o equipamento simplesmente não pôde fornecer nenhum cálculo. A situação está começando a mudar, e a contribuição dos cientistas da computação pode ser crítica para o desenvolvimento desse campo, porque, como observa Gambetta, "eles pensam nas tarefas de maneira diferente, não como nós, físicos".

Ele também está otimista sobre o uso de equipamentos IBM em cursos de ciência da computação. Quando a computação quântica se tornar parte regular da educação das pessoas, será mais fácil elas se relacionarem com elas como um instrumento útil para um conjunto específico de tarefas. Nesse ponto, um computador quântico se tornará algo como uma GPU ou outro equipamento especializado, no sentido de que as pessoas só precisam decidir se vale a pena uma possível aceleração da escrita de códigos especiais.

Em geral, após a visita, tive a impressão de que a computação quântica chegou a um ponto de transição. Parte do passeio foi necessária para examinar o equipamento, mas pode se tornar a parte menos interessante dessa área. Com o movimento do progresso e a adição de novos qubits, o processo será uma lenta melhoria e testes empíricos. E o equipamento escondido dentro de um tanque cuidadosamente isolado e cheio de hélio líquido não é a coisa mais interessante de se ver.

Agora, toda a tarefa se resume a como tirar o máximo proveito do equipamento existente e como ele pode ser usado para garantir nossa disponibilidade para aumentar os recursos dos computadores. E, nesse momento, o fator humano - a coleta de experiências e a gestão da comunidade - está se tornando cada vez mais importante.