Computação quântica: desenvolvimentos recentes e futuro

Houve avanços significativos na computação quântica nos últimos anos para alinhá-la aos problemas atuais. Neste artigo, trazemos uma atualização sobre os principais desenvolvimentos recentes para ajudar a resolver problemas complexos.

Mesmo com esses avanços, ela continuará trabalhando juntamente com a computação clássica para realizar a maioria dos trabalhos.

O que é computação quântica?

Em um computador clássico, switches operados eletronicamente, chamados transistores, são usados para representar os números 0 e 1 que representam “bits” individuais. A partir desses componentes básicos, os cientistas da computação demonstraram que é possível realizar uma grande variedade de abordagens computacionais para resolver problemas.

Embora os engenheiros tenham assegurado que os transistores ficaram menores e mais numerosos, ampliando o tipo de problemas que os cientistas da computação podem resolver, a tecnologia não é muito diferente dos dispositivos anteriores aos transistores das décadas de 1930 e 1940 baseados em válvulas ou tubos.

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Em um computador quântico, os transistores são substituídos por dispositivos que representam bits quânticos ou “qubits”, que são capazes de representar um 0 e um 1 ao mesmo tempo. Isso por si só não é muito útil, a menos que faça parte de um processador quântico capaz de lidar com uma quantidade maior de qubits. Em um computador clássico, as CPUs modernas exigem bilhões de transistores para executar sistemas operacionais e aplicações modernas.

Em um computador quântico, cada estado é representado simultaneamente, e é possível resolver problemas computacionais de alta complexidade usando apenas 100 qubits. Alguns desses problemas demorariam infinitamente mais tempo para uma CPU clássica moderna resolver.

Tomemos como exemplo o problema do vendedor que transita entre cidades. Na computação clássica, seria preciso uma quantidade muito grande de bits para representar todas as cidades em que esse vendedor atua, e com muita rapidez. Se o comerciante precisasse visitar mais cidades, seria necessário muitos mais bits para representá-las. No entanto, na computação quântica, uma vez que uma série de qubits estão emaranhados, eles podem representar simultaneamente dois estados de uma só vez (onde n representa o número de qubits emaranhados), mais opções de soluções alternativas podem ser representadas simultaneamente de forma mais eficiente e processadas em paralelo muito mais rapidamente.

Por que computação quântica?

A promessa da computação quântica é que ela nos ajudará a enfrentar determinados tipos de problemas que os computadores clássicos de hoje não podem resolver em um período de tempo razoável. É importante observar que a computação quântica não é uma panaceia para todos os tipos de problemas de computação, mas é boa para grande parte das pesquisas do tipo “agulha no palheiro”.

Por exemplo, se você quisesse encontrar um item em uma lista de um trilhão e cada item levasse um microssegundo para ser verificado, um computador clássico o faria em uma semana, mas um computador quântico levaria um segundo.

Aplicações reais da computação quântica incluem:

• Descobrir a rota ideal que um vendedor deve seguir para ir a várias cidades e economizar tempo e custos de combustível.
• Simular reações químicas para criar baterias melhores para carros elétricos.
• Na área de criptografia, para quebrar ou criar códigos de segurança.
• Encontrar eventos de Higgs (um dos campos da teoria da física de partículas) e a origem do universo.
• Permitir que as empresas financeiras analisem melhor os seus dados para determinar fraudes ou equilibrar as suas carteiras de investimentos.

Muito do interesse inicial na computação quântica também pode ser atribuído ao fato de que os computadores quânticos, que são potentes o suficiente, podem ser usados para quebrar determinados tipos de códigos de criptografia. Isso pode afetar a segurança de celulares, contas bancárias, endereços de e-mail e carteiras de criptomoedas. Como resultado, as organizações, no devido tempo, terão que modificar algumas de suas soluções existentes para a era da computação quântica.

O desafio para a computação quântica

Um dos maiores problemas enfrentados pelos computadores quânticos hoje é que os qubits emaranhados começam a perder coerência em relação a outros qubits. Portanto, um algoritmo precisa fazer o seu trabalho rapidamente antes que isso aconteça.

Atualmente, a maioria dos computadores quânticos só pode manter algumas dezenas de qubits coerentes. Um estudo recente mostrou que os raios cósmicos podem introduzir uma explosão de erros de perda de coerência que são difíceis de corrigir usando técnicas padrão de correção. Isso contribui para a nossa incapacidade de representar problemas significativos da vida real em um computador quântico.

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Além disso, não há uniformidade nos hardwares de computação quântica subjacentes. Várias empresas estão buscando diferentes abordagens para a construção de um computador quântico. Isso é muito semelhante à forma como tivemos vários projetos de transistores nos primórdios da computação. Como resultado, só é possível que determinados problemas sejam mapeados de maneira eficiente em tipos específicos de hardware de computação quântica subjacente. A pesquisa para resolver o problema da decorrência e projetar computadores quânticos para uso geral está em andamento e ainda estamos a cerca de cinco anos de resolver problemas significativos em um computador quântico. Enquanto isso, antecipamos a implantação de computadores quânticos e clássicos de forma híbrida para fornecer eficiências computacionais.

Como os computadores quânticos estão sendo implantados

A promessa da computação quântica é que ela nos ajudará a enfrentar determinados tipos de problemas que os computadores clássicos de hoje não podem resolver em um período de tempo razoável.

Computadores quânticos exigem hardware personalizado. Hoje, apenas os grandes hyperscalers e poucas empresas de hardware fornecem emuladores para computadores quânticos, bem como equipamentos de tamanho limitado, como um serviço em cloud. Atualmente, os computadores quânticos estão sendo direcionados para problemas que exigem muita computação e não são sensíveis à latência.

Além disso, as atuais arquiteturas de computadores quânticos não estão maduras o suficiente no que diz respeito ao manuseio de grandes tamanhos de dados. Como resultado, em muitos casos, um computador quântico é normalmente implantado juntamente com um clássico de forma híbrida. Embora um computador quântico em si não consuma muita energia durante a computação, ele requer refrigeradores criogênicos especializados para manter baixas temperaturas supercondutoras.

As previsões atuais mostram que haverá custos fixos de resfriamento com pouco custo de energia incremental à medida que a quantidade de qubits aumenta até determinado limite.  No entanto, serão necessários muitos desses refrigeradores para suportar computadores que fornecem milhões de qubits. Os refrigeradores criogênicos atuais consomem cerca de 24 KW por unidade por aproximadamente 1.000 qubits. Esse orçamento de energia não inclui a energia para o computador clássico, armazenamento e hardware de rede em torno de um computador quântico.

Pilhas de software quântico e de rede

Muitas pilhas de software estão sendo propostas para a computação quântica que consistem em virtualizar o hardware de computação quântica físico subjacente e construir uma camada virtual de qubits lógicos. Além disso, as pilhas de software fornecem compiladores que convertem construções de linguagem de programação de nível superior em comandos de montagem de nível inferior que operam nos qubits lógicos.

Os provedores de pilhas de software também desenvolvem modelos específicos em nível de aplicação que são específicos do domínio (por exemplo, problemas de otimização ou problemas específicos de aprendizagem de máquina) e que mapeiam o modelo de programação de computação quântica. O objetivo é ocultar a complexidade sem comprometer a performance geral ou a manobrabilidade do hardware de computação quântica subjacente.

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Com relação a uma pilha de redes nativas de computação quântica, o seu desenvolvimento ainda está nos estágios iniciais. Atualmente, dados e resultados de computação quântica precisam ser convertidos em uma forma que possa ser entendida por equipamentos de rede clássicos e, em seguida, convertidos novamente em um formato compreensível de computação quântica. Muitas pesquisas estão sendo realizadas na área de redes nativas de computação quântica, onde o emaranhamento de qubits pode ser alcançado em longas distâncias.

Preparando a computação quântica para comercialização

Muitas grandes empresas de computadores estão investindo bilhões de dólares na construção de computadores quânticos. Da mesma forma, instituições acadêmicas também investem dinheiro e capacidade intelectual nessa área. A geração atual de computadores quânticos precisa ser gerenciada por especialistas devido aos seus requisitos especializados de hardware e resfriamento. Como resultado, em um futuro próximo, a funcionalidade de computação quântica será oferecida principalmente como um serviço em cloud.

No entanto, haverá clientes que vão querer implantar os seus dados e hospedar a parte clássica de computação e armazenamento de sua arquitetura geral em seus próprios data centers privados ou em um colocation, principalmente por razões de privacidade e controle, e esses clientes gostariam de aproveitar a funcionalidade de computação quântica em um provedor de serviços.

Em conclusão, estamos nos estágios iniciais da era dos computadores quânticos híbridos, onde os computadores clássicos descarregam determinados tipos de processamento em equipamentos quânticos com número limitado de qubits. Acreditamos que essa será a norma para a computação quântica pelos próximos cinco anos, antes que computadores quânticos nativos não híbridos contendo milhares de qubits comecem a resolver problemas da vida real.

* Kaladhar Voruganti é sócio sênior de tecnologia e arquitetura da Equinix

** David Hall é sócio de tecnologia e arquitetura da Equinix