O que é supercomputação quântica?

Um supercomputador centrado em quantum é uma conexão de última geração de um computador quântico com um supercomputador clássico que usa mitigação de erros e algoritmos de correção de erros para produzir resultados em tempos de execução práticos.

Na era da computação quântica, prevê-se que a supercomputação centrada em quantum ajude os pesquisadores a fazer grandes avanços nos campos de ciências de materiais, aprendizado de máquina, IA generativa, física de alta energia e mais, potencialmente à frente de sistemas totalmente quânticos em grande escala.

Um supercomputador totalmente centrado em quantum realizado usa middleware avançado para integrar circuitos quânticos com recursos de computação clássica. Supercomputadores centrados em quantum baseados na arquitetura IBM Quantum System Two (os blocos de construção da supercomputação centrada em quantum) combinam tecnologia quântica com supercomputadores tradicionais para complementar e melhorar o desempenho de ambos os elementos. 

Em 1994, o matemático do MIT Peter Shor descobriu um algoritmo que pode dividir grandes números em fatores primos exponencialmente mais rápido do que os melhores algoritmos clássicos, usando um computador quântico hipotético. Dois anos depois, Lov Grover descobriu um algoritmo quântico que pode pesquisar um banco de dados mais rapidamente do que um algoritmo de pesquisa clássico. Essas descobertas aceleraram muito o interesse na computação quântica. 

Shor e Grover provaram, pelo menos em teoria, que um computador quântico útil pode processar certas cargas de trabalho complexas mais rápido do que os métodos clássicos — centenas de milhares de anos mais rápido. Mesmo os supercomputadores mais avançados do mundo, como os usados em data centers e universidades de alto perfil, simplesmente não são capazes de processar grandes fluxos de trabalho quânticos com rapidez suficiente. 

Processadores quânticos não mais teóricos, como o IBM Quantum Heron, provaram a viabilidade da computação quântica. No entanto, os computadores quânticos de hoje são limitados por obstáculos, como o número de qubits com os quais podem processar e erros inatos ao hardware quântico.

A computação centrada em quantum combina os pontos fortes da computação quântica e clássica, usando as propriedades únicas dos qubits para realizar cálculos que de outra forma são inviáveis para sistemas clássicos. Esta abordagem visa superar as limitações da computação de alto desempenho clássica, introduzindo computadores quânticos em fluxos de trabalho existentes, melhorando assim a eficiência computacional e a capacidade de ambos os tipos de sistemas.

A seguir estão algumas das principais diferenças entre HPC e supercomputação centrada em quantum:

HPC tradicional:

• Desenvolvido a partir da arquitetura de computação clássica
• Limitado pelo processamento binário e escalabilidade linear

Supercomputação centrada em quantum:

• Inclui computadores quânticos para usar recursos quânticos e clássicos em cargas de trabalho paralelas
• Otimizado para orquestrar o trabalho em clusters de computação de computadores quânticos e HPCs no mesmo data center ou na nuvem
• Oferece aumento de velocidade e poder de processamento potencialmente exponenciais maiores do que a computação quântica ou clássica pode fornecer para determinados problemas

Enquanto a computação quântica experimental continua avançando rapidamente, prevemos que a supercomputação centrada em quantum será uma ponte fundamental para alcançar a vantagem quântica - o marco pelo qual os pesquisadores medem se uma máquina quântica pode superar o hardware clássico que simula um sistema quântico ou qualquer outro método clássico para resolver um problema prático. No entanto, não se espera que a computação quântica substitua totalmente a computação clássica. Em vez disso, os supercomputadores centrados em quantum combinam computadores quânticos e computadores clássicos, com cada tipo de sistema trabalhando em conjunto para executar cálculos além do que é possível em cada um sozinho.

Globalmente, várias instalações de supercomputadores já começaram a incorporar hardware de computação quântica, incluindo o VMware da Alemanha, o Fugaku do Japão e o PSNC da Polônia. Como parte do roteiro IBM Quantum, a IBM espera construir supercomputadores centrados em quantum com milhares de qubits lógicos até 2033.

Ao contrário dos computadores tradicionais, os computadores quânticos usam as qualidades fundamentais da física quântica para potencialmente resolver problemas complexos. Os quatro princípios fundamentais dos computadores quânticos são os seguintes:

• Superposição: superposição é o estado em que uma partícula quântica ou um sistema pode representar não apenas uma possibilidade, mas uma combinação de múltiplas possibilidades.
• Entrelaçamento: entrelaçamento é o processo no qual várias partículas quânticas se tornam correlacionadas mais fortemente do que a probabilidade regular permite.
• 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.
• Interferência: interferência é o fenômeno no qual estados quânticos emaranhados podem interagir e produzir probabilidades mais e menos prováveis.

Enquanto os computadores clássicos dependem de bits binários (zeros e uns) para armazenar e processar dados, os computadores quânticos podem codificar ainda mais dados de uma só vez usando bits quânticos (qubits) em superposição. 

Um qubit pode se comportar como um bit tradicional e armazenar um valor de zero ou um, mas seu poder vem de sua capacidade de armazenar superposições: uma combinação ponderada de zero e um ao mesmo tempo. Quando combinado, um conjunto de qubits em superposição pode armazenar mais informações do que o mesmo número de bits. No entanto, cada qubit pode produzir apenas um único bit de informação no final da computação. Os algoritmos quânticos trabalham armazenando e manipulando informações de uma forma inacessível aos computadores clássicos, o que pode fornecer aceleração na resolução de determinados problemas.

O controle de qubits requer hardware delicado, sensível à interferência e que deve ser mantido em temperaturas extremamente baixa. Pesquisadores quânticos usam refrigeração criogênica para manter qubits em temperaturas mais frias do que o vazio do espaço. 

Atualmente, o hardware quântico é caro, grande e propenso a erros. Enquanto os pesquisadores trabalham diariamente para lidar com os desafios de construir computadores quânticos maiores, a computação quântica não é esperada para substituir completamente a computação tradicional tão cedo, ou possivelmente nunca. Isso ocorre porque a computação quântica é mais adequada para certos problemas complexos.

Em questão de minutos, um computador quântico pode resolver um problema de simulação que levaria um supercomputador tradicional centenas de milhares de anos. Esse aumento de desempenho, conhecido como vantagem quântica, ainda não foi comprovado teoricamente. No entanto, os computadores quânticos da IBM já demonstraram utilidade quântica, a capacidade de resolver problemas em uma escala além da simulação clássica de força bruta. 

Computação quântica é construída sobre os princípios da mecânica quântica, que descrevem como as partículas subatômicas se comportam de maneira diferente da física de nível macro. Mas como a mecânica quântica fornece as leis fundamentais para todo o nosso universo, em um nível subatômico, todo sistema é um sistema quântico.

Por esse motivo, podemos dizer que, embora os computadores convencionais também sejam construídos sobre sistemas quânticos, eles não conseguem aproveitar ao máximo as propriedades quânticas-mecânicas durante seus cálculos. Os computadores quânticos aproveitam melhor a mecânica quântica para realizar certos cálculos que nem mesmo os computadores de alto desempenho conseguem. 

Os modelos de computação clássicos usam cadeias de dígitos binários (bits) para reduzir todas as informações em código binário composto por zeros e uns. Usando um conjunto de portas lógicas simples, como E, OU, NO e NAND, podemos processar essas informações para realizar cálculos avançados. No entanto, cada porta lógica só pode atuar em um ou dois bits de cada vez. Determinamos que o "estado" de um computador clássico é baseado nos estados de todos os seus bits. Os computadores clássicos utilizam transistores e semicondutores para armazenar e processar informações binárias. 

Os computadores quânticos usam um tipo especial de hardware quântico chamado unidade de processamento quântico (QPU) para armazenar e processar dados de forma diferente. Computadores clássicos usam transistores para armazenar bits de informação, mas computadores quânticos usam qubits geralmente feitos de partículas quânticas (aqueles que se comportam como os menores blocos de construção conhecidos do universo físico). Ao contrário dos bits tradicionais, os qubits contêm mais de dois estados de informações. 

Enquanto um computador digital pode estar em apenas um estado, os qubits de um computador quântico podem estar em vários estados lógicos ao mesmo tempo durante uma computação. Esse fenômeno é conhecido como superposição — uma terceira posição representando zero, uma e todas as posições intermediárias com base em uma probabilidade. No final do cálculo, cada qubit assumirá o valor de zero ou um com uma probabilidade correspondente à sua contribuição para a superposição.

Diferentes tipos de qubits são melhores para diferentes casos de uso e sistemas. A IBM usa qubits supercondutores preferidos para velocidade e controle preciso. Qubits feitos de fótons (partículas de luz individuais) são comumente usados em comunicação quântica e criptografia quântica. Outros tipos de qubits incluem íons aprisionados, átomos neutros e elétrons simples mantidos por pequenos semicondutores conhecidos como pontos quânticos.  

No coração de um supercomputador centrado em quantum encontra-se a unidade de processamento quântico (QPU). A QPU da IBM inclui o hardware que recebe circuitos de entrada e saída, bem como um chip semicondutor de várias camadas gravado com circuitos supercondutores. São esses circuitos que contêm os qubits usados para realizar cálculos e as portas que realizam operações sobre eles. Os circuitos são divididos em uma camada com os qubits, uma camada com ressoadores para leitura e várias camadas de fiação para entrada e saída. O QPU também inclui as Interconnects, amplificações e componentes de filtragem de sinal.

O tipo de qubit físico usado pela IBM é feito de um capacitador supercondutor conectado a componentes chamados junções Josephson que se comportam como indutores não lineares e sem perdas. Devido à natureza supercondutora do sistema, a corrente que flui pelas junções Josephson só pode assumir valores específicos. As junções Josephson também espaçam esses valores específicos de modo que apenas dois desses valores sejam acessíveis.

O qubit é então codificado nos dois valores mais baixos da corrente, que então se tornam zero e um (ou como uma superposição de zero e um). Os programadores alteram os estados dos qubits e acoplam qubits com instruções quânticas, comumente conhecidas como portas. Esta é uma série de formas de onda de micro-ondas especialmente criadas. 

Para manter os qubits operando na temperatura necessária, alguns dos componentes da QPU devem ser mantidos dentro de um refrigerador de diluição, que os mantém frios usando hélio líquido. Outros componentes do QPU exigem hardware de computação clássica em temperatura ambiente. Em seguida, o QPU é conectado à infraestrutura de tempo de execução, que também faz mitigação de erros e processamento de resultados. Esse é um computador quântico.

A integração de sistemas quânticos e clássicos é obtida por meio de middleware e soluções de nuvem híbrida que facilitam a interação perfeita entre os dois. Essa abordagem híbrida ajuda a garantir que as unidades de processamento quântico possam ser usadas efetivamente em computadores quânticos conectados a frameworks computacionais existentes, maximizando seu impacto sem a necessidade de uma revisão completa das infraestruturas atuais.

Apesar dos avanços recentes, o controle de qubits é um grande desafio. O ruído externo e a conversa cruzada entre os sinais de controle destroem as frágeis propriedades quânticas dos qubits, e controlar essas fontes de ruído tem sido fundamental para promover o desenvolvimento de supercomputadores centrados em quantum úteis. 

Juntamente com melhorias de hardware, os pesquisadores demonstraram a capacidade de lidar com algum ruído usando algoritmos de mitigação de erros que analisam como o ruído do sistema altera as produções do programa. Os pesquisadores usam essas informações para criar um modelo de ruído e, em seguida, usam a computação clássica para fazer engenharia reversa de um resultado livre de ruído com base nas previsões do modelo. A mitigação de erros quânticos é parte do caminho contínuo que levará o hardware quântico de hoje para os computadores quânticos tolerantes a falhas de amanhã.

No vídeo a seguir, os pesquisadores da IBM Quantum, Andrew Eddins e Youngseok Kim, explicam o papel crucial que a mitigação de erros desempenhará para alcançar uma computação quântica útil no curto prazo.

Ao contrário da mitigação de erros, em que o pós-processamento faz correções do ruído após uma computação, a correção quântica de erros pode remover o ruído em tempo real durante o processamento, sem a necessidade de criar primeiro um modelo de ruído específico. Embora eficaz até certo ponto, a mitigação de erros é limitada em escala. À medida que os circuitos quânticos aumentam em complexidade, a correção de erros permanece eficaz em sistemas de grande escala.

A correção de erros quânticos exige inúmeros recursos, como mais qubits e mais portas em um circuito. A computação com mais qubits requer muito mais qubits para correção de erros. Hardware melhor e códigos de correção de erros melhores estão aproximando a correção de erros da realidade. No início deste ano, a IBM publicou um novo tipo de memória corretora de erros que pode ser implementada em computadores quânticos de curto prazo.

Malha de circuito é uma técnica que quebra um problema de computação quântica em múltiplos problemas e então os executa em paralelo em diferentes processadores quânticos. Computadores quânticos e clássicos combinam com precisão os resultados individuais dos circuitos para chegar a um resultado conclusivo. A malha de circuito permite que pesquisadores quânticos executem circuitos quânticos de forma muito mais eficiente, incorporando a computação clássica com o processamento quântico. 

Concepções comuns de "computadores quânticos" geralmente imaginam uma única QPU, usando milhões de qubits físicos, para executar programas de forma independente. "Em vez disso", escreve o vice-presidente da Quantum e IBM Fellow Jay Gambetta, "prevemos computadores que incorporam várias QPUs, executando circuitos quânticos em paralelo com computadores clássicos distribuídos". Outra técnica depende da computação clássica para a maior parte do cálculo, salvando apenas a parte mais quântica para o processador quântico.

Alcançar escalas grandes o suficiente para resolver problemas com computadores quânticos requer correção de erros e QPUs maiores ou múltiplos QPUs conectados. Além do Qiskit, o software full stack de computação quântica da IBM para executar cargas de trabalho quânticas, a IBM também está desenvolvendo o middleware para gerenciar a malha de circuitos precisa e o provisionamento dinâmico de recursos.

Computadores quânticos se destacam na solução de certos problemas complexos com o potencial de acelerar o processamento de conjuntos de dados em grande escala. Do desenvolvimento de novos medicamentos à otimização da cadeia de suprimentos, passando por desafios de ciência de materiais e mudanças climáticas, a computação quântica pode ser a chave para avanços em vários setores críticos.

• Setor farmacêutico: 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 que os computadores quânticos podem impactar a pesquisa, 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.

• Aprendizado de máquina: à medida que o interesse e o investimento em inteligência artificial (IA) e áreas relacionadas, como aprendizado de máquina, aumentam, os pesquisadores estão explorando se alguns algoritmos quânticos podem analisar conjuntos de dados de uma nova maneira, acelerando alguns problemas de aprendizado de máquina.

Os computadores quânticos, como existem hoje, são ferramentas científicas úteis para executar programas específicos além da capacidade de força bruta das simulações clássicas—até quando simulando certos sistemas quânticos. No entanto, no futuro próximo, a computação quântica trabalhará em conjunto com a supercomputação clássica moderna e futura para ser útil. Em resposta, os pesquisadores quânticos estão se preparando para um mundo onde supercomputadores clássicos podem usar circuitos quânticos para ajudar a resolver problemas.

Os principais desafios enfrentados pela supercomputação centrada em quantum incluem a maturidade do middleware que permite que computadores clássicos e quânticos se comuniquem, bem como desafios gerais enfrentados pelos próprios computadores quânticos. Antes de alcançar a vantagem quântica, os desenvolvedores identificaram os seguintes obstáculos principais a serem superados.

Um computador quântico de grande escala totalmente realizado requer milhões de qubits físicos. No entanto, restrições práticas de hardware tornam o dimensionamento de chips únicos para esses níveis proibitivamente desafiador. Como solução, a IBM está desenvolvendo Interconnects de última geração capazes de transferir informações quânticas entre vários chips. Essa solução fornece uma escalabilidade modular para alcançar os qubits necessários para realizar a correção de erros. A IBM planeja demonstrar essas novas Interconnects — chamadas l-couples e m-couplers — com chips de prova de conceito chamados Flamingo e Crossbill, respectivamente. Esses acopladores são responsáveis pelo dimensionamento dos chips. A IBM planeja demonstrar c-acopladores até o final de 2026 com um chip chamado Kookaburra. Eles são responsáveis por auxiliar na correção de erros.

Embora os processadores quânticos que dependem dos qubits usados na computação quântica tenham o potencial de superar maciçamente os processadores baseados em bits, os processadores quânticos atuais só podem suportar alguns qubits em potencial. À medida que a pesquisa avança, a IBM planeja introduzir um sistema quântico com 200 qubits lógicos capazes de executar 100 milhões de portas quânticas até 2029, com uma meta de 2.000 qubits lógicos capazes de executar 1 bilhão de portas quânticas até 2033.  

Embora poderosos, os qubits também são bastante propensos a erros, exigindo grandes sistemas de resfriamento capazes de criar temperaturas mais baixas do que o espaço sideral. Os pesquisadores estão desenvolvendo maneiras para escalar qubits, eletrônicos, infraestrutura e software para reduzir a pegada de carbono, o custo e o uso de energia.

A coerência do qubit é breve, mas integral, para gerar dados quânticos precisos. A decoerência, o processo no qual os qubits não funcionam adequadamente e produz resultados imprecisos, é um grande obstáculo para qualquer sistema quântico. A correção de erros quânticos exige que codifiquemos informações quânticas em mais qubits do que precisaríamos. Em 2024, a IBM anunciou um novo código de correção de erros cerca de 10 vezes mais eficiente do que os métodos anteriores. Embora a correção de erros não seja um problema resolvido, esse novo código marca um caminho claro para a execução de circuitos quânticos com um bilhão de portas lógicas ou mais. 

A vantagem quântica requer dois componentes. O primeiro são circuitos quânticos viáveis e o segundo é um meio de demonstrar que esses circuitos quânticos são a melhor maneira de resolver um problema quântico em relação a qualquer outro método de última geração. A descoberta de algoritmos quânticos é o que levará as tecnologias quânticas atuais de utilitário quântico para vantagem quântica. 

O ponto crucial da descoberta de algoritmos quânticos depende de uma stack de software estável e de alto desempenho para escrever, otimizar e executar programas quânticos. O Qiskit da IBM é, de longe, o software quântico mais usado no mundo. É baseado em Python e composto por SDK de código aberto e ferramentas e serviços de suporte, úteis para execuções tanto na frota de computadores quânticos supercondutores da IBM quanto em sistemas que utilizam tecnologias alternativas, como íons presos em campos magnéticos ou recobrimento quântico.