O ambicioso plano de computador quântico de um milhão de qubits da IBM

A IBM, uma das empresas de tecnologia mais antigas do mundo, está construindo uma geladeira. Isso, por si só, não é inédito. Outras empresas de tecnologia têm construiu geladeiras antes. A LG vende o impressionante refrigerador inteligente LG InstaView Door-in-Door conectado por Wi-Fi. A Samsung, outro fabricante global de dispositivos, fabrica o excelente RF23J9011SR 4 portas Flex com recurso Power Cool.

Mas a geladeira da IBM (ainda em desenvolvimento) é diferente. Muito diferente, na verdade. Será enorme para uma coisa: 3 metros de altura e 6 metros de largura. Também será inimaginavelmente frio, em torno de 15 milikelvins, ou -459 Fahrenheit, que é mais frio que o espaço sideral. Também recebeu o nome de um filme de James Bond, Goldeneye.

No entanto, a maior diferença entre ele e o refrigerador de cozinha comum é o conteúdo planejado. Não espere um porta-ovos embutido, gavetas de vegetais e espaço para sua gemada sazonal. Em vez disso, será o lar do primeiro computador quântico de 1 milhão de qubits do mundo – assim que ele também for construído.

“Para que os efeitos quânticos surjam, [os computadores quânticos] precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas”, Jerry Chow, diretor de Desenvolvimento de Sistemas de Hardware Quantum da IBM, disse à Digital Trends. “Na verdade, toda a infraestrutura que envolve até mesmo o próprio processador requer uma boa quantidade de resfriamento, especialmente à medida que você aumenta a escala, certo?”

Foi esse processo de expansão que levou Chow e sua equipe à conclusão inevitável de que a IBM realmente precisava entrar no negócio de refrigeração – pelo menos quando se trata de seu próprio quantum computadores. Por um lado, há um limite para a capacidade de refrigeração atual. Depois, há problemas com coisas como manter a integridade do vácuo e equilibrar o peso dos vários componentes necessários para o resfriamento. O cientista da computação Alan Kay disse certa vez que a empresa que leva a sério o software também deveria construir seu próprio hardware. Talvez o equivalente quântico disso seja que a empresa que leva a sério a computação quântica não deveria apenas construir seu próprio computador quântico, mas também sua própria geladeira para abrigá-lo.

“Se apenas fizermos um dimensionamento superficial, você começará a ver que, em algum momento, o que você pode obter dos fornecedores comerciais fica aquém”, disse Chow. “Você tem que começar a pensar em como ir além disso?”

O que torna a computação quântica tão diferente e tão atraente?

O supergeladeira da IBM é, até certo ponto, uma pista falsa. É como construir uma garagem nova e sofisticada para o Tesla que você está entregando. Claro, aquela sofisticada porta de garagem com controle remoto que você instalou é emocionante – mas não é o parte emocionante. Nesta analogia, o novo Tesla Model S ou Cybertruck é o quantum planejado de um milhão de qubits da IBM. E, desde que a IBM consiga construí-lo conforme planeado, será uma delícia, mais do que digna do frigorífico mais sofisticado do mundo.

Os computadores quânticos foram propostos pela primeira vez na década de 1980 pelo físico americano Paul Benioff, embora a mecânica quântica em que se baseiam remonte até a década de 1920, quando os físicos começaram a perceber que certos experimentos não produziam os resultados que haviam previsto usando seu conhecimento atual de física. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin e outros aproveitaram a ideia de um modelo de mecânica quântica de uma máquina de Turing, sugerindo que um computador quântico poderia ser usado para simular coisas que simplesmente não podem ser simuladas através de um computador clássico usando física. Em 1994, Dan Simon mostrou que um computador quântico poderia ser exponencialmente mais rápido que um computador clássico.

Uma das grandes diferenças com o quantum é o conceito de superposição. Um computador clássico pode estar no estado A ou B (ou, em termos binários, um ou zero). Um computador quântico pode ser uma mistura dos dois. (Esse é o O experimento mental do gato de Schrödinger em que um gato em uma caixa pode estar vivo, morto ou vivo e morto simultaneamente.) Depois, existem outros conceitos como colapso, incerteza e emaranhamento, que tornam os computadores quânticos muito diferentes daqueles que você e eu crescemos sobre.

Da mesma forma que um computador clássico opera com bits, os computadores quânticos operam com os chamados qubits. Atualmente, o maior computador quântico da IBM tem 65 qubits. Até 2023, pretende construir um com 1.000 qubits. E algum tempo depois disso – uma data com a qual a empresa não se comprometerá, mas que certamente está em seu roteiro – ela construirá uma máquina de 1 milhão de qubits.

Pular de 65 qubits para um milhão de qubits é um grande salto. Mas a computação, mesmo a computação clássica, revela-se muito boa quando se trata de saltos exponenciais. Lei de Moore afirma que o número de transistores que cabem em uma placa de circuito dobra aproximadamente a cada dois anos. A coisa mais próxima que o quantum tem da Lei de Moore é a chamada Lei de Rose, formulada por Geordie Rose em 2002. A Lei de Rose afirma que o número de qubits em um computador quântico dobra a cada dois anos.

Em comparação com a Lei de Moore, as implicações da Lei de Rose são possivelmente ainda mais profundas porque, como Peter Diamandis e Steven Kotler observam no seu livro O futuro é mais rápido do que você pensa: como as tecnologias convergentes estão transformando os negócios, as indústrias e nossas vidas, qubits em superposição têm muito mais potência do que os bits binários em transistores.

Como “mais” nem sempre é igual a “melhor”, um dos ajustes conceituais da IBM a essa noção baseia-se no conceito mais matizado do que a IBM chama de volume quântico. “Não se trata apenas de dimensionar o número físico de qubits”, disse Chow. “No final das contas, o que importa é o número de qubits e seu desempenho; quão grande é o circuito que você pode realmente executar nesse hardware antes que os qubits se descoeram e suas informações quânticas desapareçam. O volume quântico é uma métrica.”

O que esperar quando você espera computadores quânticos

“Tudo o que chamamos de real”, disse Niels Bohr, uma das figuras fundadoras da mecânica quântica, “é feito de coisas que não podem ser consideradas reais”. Dada a premissa da superposição quântica, talvez seja apropriado que os computadores quânticos existam hoje em um estranho mundo crepuscular daqui e não aqui. A IBM é apenas uma das empresas que construiu computadores quânticos funcionais (Google, Baidu e Amazon são alguns dos outros grandes nomes). algoritmos quânticos também – em alguns casos, aqueles que ainda não podem ser executados de forma eficaz nos computadores quânticos que as pessoas construíram.

E, no entanto, apesar de todas as provas de conceitos e motivos de entusiasmo, é justo dizer que o mundo ainda não começou a chegar perto de explorar o enorme poder da computação quântica. “O que [a computação quântica] implica em termos de aplicações reais ainda não é totalmente conhecido”, disse Chow.

Alguns dos casos de uso potenciais mais interessantes – seja em química computacional, financeira modelagem, segurança cibernética e criptomoeda, ou previsão avançada – permanecem fantasmas no mundo quântico máquina. Por enquanto, pelo menos.

Por que a IBM está focada na computação quântica? “Nosso foco está em como entregaremos o futuro da computação”, disse Chow. Quantum é uma parte inevitável desse futuro.

A computação quântica é uma das três grandes apostas da IBM para o futuro. Esta sagrada trindade de tecnologias futuras é composta por computação quântica, inteligência artificial e nuvem. Mas estas não são apostas individuais como seria o caso se você investisse suas economias em três startups promissoras, acreditando que um dos três tem a chance de se tornar um unicórnio que mais do que compensará quaisquer perdas incorridas pelo outros dois.

Quantum, por exemplo, poderia ser uma virada de jogo para a IA. Não há dúvida de que a inteligência artificial — e, mais especificamente, aprendizado de máquina – tem desfrutado de avanços surpreendentes usando a arquitetura de computação clássica. Mas a quântica promete acelerar ainda mais as coisas. Versões quânticas de algoritmos atuais de aprendizado de máquina (ou, mais provavelmente, inteiramente novos, muito mais rápidos) alternativas) serão capazes de realizar enormes testes de IA baseados em dados. cálculos significativamente mais rápidos avaliar. Eles serão capazes de lidar com o número incompreensível de dimensões que surgem dos dados e mapeá-los no grande espaço de características quânticas. O emaranhamento quântico poderia ser usado para descobrir novos padrões que não podem ser descobertos com a computação clássica tradicional.

Flutuando na nuvem quântica

A nuvem também é parte fundamental da aposta quântica da IBM. Em termos gerais, a progressão popular da computação clássica foi uma transição dos mainframes para os minicomputadores e para os computadores pessoais. Na década de 1950, as pessoas só tinham acesso a computadores enormes em salas grandes e com ar condicionado. No final dos anos 1970 e 1980, as pessoas tinham computadores em suas casas. Na década de 1990, as pessoas tinham laptops que podiam carregar nas malas. Hoje, temos computadores na forma de smartphones que carregamos no bolso.

Parece improvável que os computadores quânticos experimentem a mesma mudança no formato devido aos requisitos (como resfriamento extremo) de um computador quântico.

“Em termos de [ter um computador quântico físico] em sua mesa, posso estar errado, mas não está claro para mim se será esse o caso”, disse Chow. “A maioria dos sistemas que você constrói exigem esse nível de coerência quântica, seja um sistema supercondutor ou íons aprisionados, todos exigem uma boa infraestrutura para mantê-los - e especialmente à medida que você escala acima."

Mas é aqui que a disrupção da computação em nuvem entra em cena. A computação em nuvem significa que os usuários têm acesso aos recursos dos supercomputadores, independentemente de estarem na mesma vizinhança física. O poder de computação ou o armazenamento não estão mais limitados ao hardware disponível em sua mesa como era há 20 anos.

“Hoje, muita coisa é feita na nuvem [e] as pessoas nem percebem”, disse Chow. “Quantas vezes as pessoas percebem que algo não é processado por conta própria notebooks ou em seus próprios telefones, mas em outro lugar? É assim que a computação quântica na nuvem vai funcionar.”

É, até certo ponto, como a computação quântica é já trabalhando. Em maio de 2016, a IBM lançou seu Experiência Quântica, um processador quântico de cinco qubits e um simulador de correspondência conectado que permite aos usuários realizar experimentos em um sistema de computador quântico. Até o momento, o IBM Quantum implementou 32 processadores quânticos na nuvem, com mais de 280.000 usuários em todo o mundo executando coletivamente mais de 1 bilhão de circuitos quânticos diariamente. À medida que computadores quânticos mais poderosos forem disponibilizados, estes também estarão acessíveis aos usuários através da nuvem.

“Você terá problemas que serão resolvidos naturalmente usando as melhores técnicas que conhecemos em computadores tradicionais”, disse Chow. “Mas também há partes desses problemas que são muito complexos para serem resolvidos [até mesmo com sistemas de computação de alto desempenho] ​​hoje e que podem ser adequados para computadores quânticos.”

Não, você não executará sua planilha Excel em um computador quântico tão cedo (ou nunca). Os computadores clássicos podem executar o Excel perfeitamente. Mas partes das aplicações certamente poderiam aproveitar as capacidades quânticas, seja para coisas como criptografia ou melhor aprendizado de máquina. Poderia até haver alguns exemplos mais fascinantemente frívolos. Por exemplo, James Wootton, outro engenheiro da IBM, está usando a computação quântica para fazer geração aleatória de terreno em jogos de computador. Já sonhou com um jogo que pudesse se reconfigurar totalmente cada vez que você jogasse em um nível inimaginável? Quantum é a sua resposta.

O modelo híbrido

“Isso é o que queremos dizer com modelo computacional de nuvem híbrida”, disse Chow. “Você terá sua carga de trabalho problemática alimentada em um computador e as peças certas irão para um computador clássico e as outras partes irão para um computador quântico. Então surge uma solução. Essa é a imagem que você pode imaginar no futuro. [Quantum is] não é um substituto [para os computadores clássicos], mas eles certamente funcionarão de mãos dadas.”

A IBM não se comprometerá com quando exatamente entregará seu computador com um milhão de qubits – ou, nesse caso, quando sua geladeira Goldeneye estará pronta. Mas está bastante claro sobre sua crença de que a computação quântica será uma virada de jogo.

Em um postagem escrita para o blog da IBM no início deste ano, Jay Gambetta, membro da IBM e vice-presidente de computação quântica, comparou a próxima geração de computadores quânticos da IBM às missões Apollo que resultaram no pouso na Lua. Essa é a comparação. Também pode ser preciso.

Aqui em 2020, com a perspectiva de um pouso na lua nova tentadoramente mais próximo do que esteve em décadas, parece uma comparação muito mais otimista do que poderia ter sido há apenas alguns anos. Deve valer a pena esperar.

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