O que é uma QPU (unidade de processamento quântica)?

Como contêm a parte quântica dos computadores quânticos, as QPUs podem ser usadas para ajudar a resolver problemas desafiadores enfrentados pela humanidade, com o potencial de impactar a mudança climática, desenvolvimento farmacêutico e inteligência artificial (IA).

De mesma forma que uma unidade central de processamento (CPU) pode ser considerada como “o cérebro do computador” na computação clássica, a unidade de processamento quântico como “o cérebro” dos sistemas de computação quântica. Assim como uma CPU é mais do que um chip e inclui vários outros componentes, uma QPU contém qubits computacionais físicos, bem como componentes eletrônicos de controle e hardware de computação clássico usados para manter instruções na memória, amplificar e gerenciar sinais de entrada e saída e separar sinais de ruído. 

A QPU é o componente central de qualquer computador quântico, e o chip quântico é o componente central de uma QPU. Na IBM, o chip quântico é um semicondutor multicamadas gravado com componentes supercondutores. Esses componentes são os qubits físicos, usados para realizar cálculos quânticos. Esses chips são divididos em várias camadas, apresentando os qubits, ressoadores de leitura e várias camadas de fiação para entradas e saídas. 

As QPUs contêm um chip quântico de tamanho semelhante ao chip de computador comum, também conhecido como plano de dados quântico, composto por qubits físicos dispostos em diversas configurações e as estruturas para mantê-los no lugar. O chip é mantido em temperaturas frias próximas ao zero absoluto em um refrigerador de diluição.

As QPUs também incluem eletrônica de controle e hardware de computação clássico necessários para entrada e saída. Alguns desses componentes ficam dentro dos refrigeradores de diluição, enquanto outros componentes ficam em um rack em temperatura ambiente ao lado do refrigerador de diluição.

As QPUs são únicas entre as unidades de processador de computador. Ao contrário das CPUs, os processadores quânticos aproveitem a física quântica para armazenar e processar dados de forma diferente. CPUs clássicas usam bits binários para armazenar dados como 0 ou 1.

Os qubits podem armazenar informações binárias em zeros e uns, mas também podem manter uma superposição, o que significa que armazenam uma combinação especial de 0 e 1. As QPUs também aproveitam vários outros princípios quânticos importantes que lhes permitem processar informações de maneira que os computadores clássicos têm dificuldade para replicar.

Representando um avanço geracional na ciência da computação, as QPUs são projetadas para processar algoritmos quânticos melhor do que até mesmo os supercomputadores mais poderosos. Otimizadas para cálculos quânticos em grande escala, as QPUs não se destinam a substituir as CPUs. Em vez disso, as QPUs estão sendo integradas a sistemas de computação de alto desempenho (HPC), juntamente com CPUs e unidades de processamento gráfico (GPUs). 

Em um supercomputador centrado em quântico, cada tipo de processador funciona de maneira diferente e é usado para processar diferentes tipos de cálculos com o ecossistema:

• CPUs: as unidades de processamento central (CPUs) processam entradas sequencialmente, realizando tarefas de forma linear e são mais adequadas para operações de controle de alto nível, como gerenciamento de dados em diferentes componentes do sistema.

• GPUs: as unidades de processamento gráfico (GPUs) se destacam no processamento paralelo de grandes quantidades de operações simultaneamente. As GPUs podem ser usadas em sistemas quânticos para aliviar uma parte da carga de trabalho de processamento das QPUs.

• NPUs: as unidades de processamento neural (NPUs) imitam a função do cérebro humano e são normalmente usadas para tarefas complexas que envolvem os tipos específicos de cálculos usados no aprendizado de máquina (ML) e na inteligência artificial (IA).

• QPUs: as unidades de processamento quântico (QPUs) processam informações usando qubits em vez de bits binários e são projetadas para executar algoritmos quânticos complexos. As QPUs são mais bem usadas para certos tipos de problemas altamente complicados, e muitos dos algoritmos quânticos promissores de hoje fornecem soluções probabilísticas em vez de respostas precisas.

Considerados apenas teóricos no século XX, os recentes avanços nas tecnologias quânticas levaram a um aumento no desenvolvimento de QPUs. Hoje, a IBM está ampliando os limites da ciência da computação para desenvolver QPUs viáveis capazes de alcançar vantagem quântica — a capacidade de superar todos os métodos clássicos de supercomputação para resolver um determinado problema. Desenvolvedores da IBM estão liderando o grupo, já fornecendo QPUs e hardware quântico com utilidade quântica— a capacidade de fornecer saídas confiáveis e precisas para circuitos quânticos além do alcance das simulações clássicas de força bruta. 

A computação quântica é uma tecnologia emergente que aproveita o poder da mecânica quântica para resolver problemas complexos demais para os supercomputadores mais poderosos. Tarefas como a fatoração de grandes números primos, que podem levar centenas de milhares de anos a um computador clássico, podem teoricamente ser realizadas em questão de minutos com um computador quântico suficientemente poderoso. 

Os computadores quânticos processam informações de maneira diferente dos computadores clássicos. Ao contrário dos computadores clássicos, que devem calcular cada etapa de um cálculo complicado com as regras da lógica, os circuitos quânticos feitos de qubits podem processar muitas entradas do conjunto de dados simultaneamente com operações, fornecendo uma nova maneira de resolver certos problemas e potencialmente melhorando a eficiência em muitas ordens de magnitude. 

Computação clássica: 

• Utilizada por computadores e dispositivos multifuncionais comuns.
• Armazena informações em bits com um número discreto de estados possíveis: 0 ou 1.
• Processa dados de maneira lógica e sequencial.

Computação quântica:

• Usado por hardware quantum especializado e experimental baseado em mecânica quântica
• Armazena informações em qubits como 0, 1 ou uma superposição de 0 e 1
• Processa dados com lógica quântica em instâncias paralelas, contando com emaranhamento e interferência

Os processadores quânticos não executam equações matemáticas da mesma maneira que os computadores clássicos. Ao contrário dos computadores clássicos que devem executar cada etapa de um cálculo complicado com as regras da lógica, os circuitos quânticos feitos de qubits processam muitas entradas do conjunto de dados simultaneamente com operações quânticas, fornecendo uma nova maneira de lidar com certos problemas e potencialmente melhorando a eficiência em muitas ordens de magnitude .

Enquanto os computadores tradicionais usam transistores para armazenar e processar dados em código binário, os QPUs usam qubits. As QPUs da IBM usam qubits supercondutores de estado sólido para codificar dados como 0, 1 ou uma superposição de 0 e 1. Conforme o número de qubits aumenta, todas as combinações possíveis de todos os valores dos qubits também podem ser mantidas em uma superposição. Dentro dessas posições, certos qubits podem ficar emaranhados, caso em que seus valores se tornam dependentes de outros, e não pode mais ser considerado como se comportando de forma independente. A medição de um qubit emaranhado fornece instantaneamente informações sobre o estado do outro. O emaranhamento é uma ferramenta valiosa para executar algoritmos quânticos.

No final de um cálculo quântico, os dados são convertidos pelo QPU e o hardware de suporte em binário, e um 0 ou 1 será medido em cada qubit com uma probabilidade correspondente à sua contribuição para a superposição. 

Tecnologias quânticas podem usar partículas reais conhecidas como qubits moleculares ou hardware que imita o comportamento de partículas (como qubits supercondutores) para realizar cálculos de maneiras que os bits binários não podem, possibilitados por quatro princípios fundamentais encontrados somente em sistemas quânticos. 

1. Superposition: superposição é o estado no qual uma partícula quântica ou um sistema pode representar não apenas um valor, mas uma combinação de múltiplos valores possíveis. 
2. Entrelaçamento: entrelaçamento é o processo no qual duas partículas quânticas se tornam correlacionadas mais fortemente do que a probabilidade regular permite.
3. Decoerência: decoerência é o processo no qual partículas e sistemas quânticos podem decair, entrar em colapso ou mudar, convertendo-se em estados únicos mensuráveis pela física clássica.  
4. Interferência: Interferência é o fenômeno no qual estados quânticos emaranhados podem interagir e produzir probabilidades mais e menos prováveis.

Em geral, os qubits são criados pela manipulação e medição de partículas quânticas (os menores blocos de construção conhecidos do universo físico, como fótons, elétrons, íons aprisionados e átomos) ou por sistemas de engenharia que imitam essas partículas.

• Qubits supercondutores: feitos de materiais supercondutores que funcionam em baixas temperaturas, esses qubits são preferidos por sua velocidade na realização de cálculos e controle refinado. 

• Qubits de íons aprisionados: íons aprisionados também podem ser usados como qubits e são conhecidos por longos tempos de coerência e medições de alta fidelidade. Íons são átomos com carga elétrica.

• Pontos quânticos: pontos quânticos são pequenos semicondutores que capturam um único elétron e o utilizam como um qubit, oferecendo um potencial promissor de escalabilidade e compatibilidade com a tecnologia de semicondutores já existente. 

• Fótons: fótons são partículas de luz individuais usadas para enviar informações quânticas por longas distâncias através de cabos de fibra óptica e estão sendo utilizados em comunicação quântica e criptografia quântica. 

• Átomos neutros: átomos neutros de ocorrência comum carregados com lasers são adequados para operações de dimensionamento e realização.

Certos tipos de qubits são mais adequados para determinadas tarefas, embora todos os qubits conhecidos ainda sejam altamente sensíveis. As QPUs usadas em computadores quânticos funcionais exigem hardware e software de suporte significativos para manter a calibração adequada e lidar com o ruído externo. Soluções de software como o stack Qiskit da IBM possuem funcionalidade que inclui ferramentas usadas para orquestrar hardware quântico e clássico e realizar o tratamento necessário de erros quânticos para ajudar a eliminar leituras imprecisas por meio de automação.

Embora o chip dentro de um QPU tenha aproximadamente o mesmo tamanho dos chips em uma CPU ou GPU típica, os sistemas de computação quântica podem ser tão grandes quanto um sedã de quatro portas. Esse volume extra vem principalmente de sistemas criogênicos e refrigeradores que devem resfriar os qubits a temperaturas mais frias do que o espaço sideral para manter a coerência. Ele também inclui outros componentes clássicos usados para enviar e aplicar instruções e retornar saídas, que podem ser armazenados na temperatura ambiente.  

Os computadores quânticos alimentados por QPUs se destacam na solução de certos problemas complexos, com o potencial de acelerar o processamento de conjuntos de dados em grande escala. Desde o desenvolvimento de novos medicamentos e a realização de aprendizado de máquina (ML) de uma nova maneira até a otimização da cadeia de suprimentos e a realização de modelagem de séries temporais em dados climáticos complexos, a computação quântica pode ser a chave para avanços em muitos setores críticos.

QPUs também serão usadas em supercomputação quântica para resolver os problemas mais complicados e desafiadores que a humanidade enfrenta atualmente nos seguintes campos: 

• Produtos farmacêuticos: computadores quânticos capazes de simular o comportamento molecular e reações bioquímicas podem acelerar maciçamente a pesquisa e o desenvolvimento de novos medicamentos e tratamentos médicos que salvam vidas. 

• Química: pelas mesmas razões pelas quais os computadores quânticos podem afetar a pesquisa médica, eles também podem fornecer soluções não descobertas para mitigar subprodutos químicos perigosos ou destrutivos. A computação quântica pode levar a catalisadores aprimorados que permitem alternativas petroquímicas ou melhores processos de desagregação de carbono necessária para combater as emissões que ameaçam o clima. 

• Inteligência artificial e aprendizado de máquina: à medida que aumentam o interesse e o investimento em IA e áreas relacionadas, como aprendizado de máquina, os pesquisadores estão levando os modelos de IA a novos extremos, testando os limites do nosso hardware existente e exigindo um enorme consumo de energia. Há evidências de que alguns algoritmos quânticos podem ser capazes de analisar conjuntos de dados de uma nova maneira, proporcionando uma aceleração para alguns problemas de aprendizado de máquina.

• Ciência de materiais: muitos problemas de ciência de materiais são intrinsecamente quânticos, e a aceleração quântica nesse campo tem o potencial de trazer benefício para áreas que vão desde nossa compreensão fundamental da matéria até problemas industriais em armazenamento de energia, energia solar e muito mais.

• Otimização: a otimização eficiente de recursos agrega valor a qualquer setor específico; no entanto, à medida que a logística fica cada vez mais complicada, a otimização se torna ainda mais difícil. Os computadores quânticos não exploram todas as soluções em paralelo — pelo menos não da maneira que é útil para otimização. Mas isso não significa que eles não possam fornecer novas soluções que são melhores do que os modelos existentes. Nova pesquisa está surgindo para demonstrar como e onde o quântico pode agregar valor para a otimização e em qual cronograma. De fato, já sabemos que alguns algoritmos de aproximação quântica são executados de forma eficiente (em tempo polinomial) e fornecem uma solução 80% ideal.