Por Nadia Carlsten, head de Produto no Centro de Computação Quântica da AWS
E se, aproveitando as propriedades da mecânica quântica, pudéssemos modelar e simular o comportamento da matéria em seu nível mais fundamental, até como as moléculas interagem? A máquina que tornaria isso possível seria transformadora, mudando o que sabemos sobre a ciência e como investigamos a natureza em busca de respostas.
Os computadores quânticos têm o potencial de ser esta máquina: a comunidade científica sabe há algum tempo que certas tarefas computacionais podem ser resolvidas de forma mais eficiente quando qubits (bits quânticos) são usadospara realizar os cálculos e que os computadores quânticos prometem resolver alguns problemas que, atualmente, estão fora do alcance dos computadores clássicos.
Mas muitas incógnitas permanecem: como construir tal máquina para que ela possa lidar com grandes problemas que resolvem questões práticas? Como escalar para milhares e milhões de qubits enquanto se mantém um controle preciso sobre estados quânticos frágeis que precisam ser protegidos de seus ambientes? E quais problemas do cliente projetar o computador para resolver primeiro? Essas são algumas das grandes questões que motivam o Centro de Computação Quântica da AWS.
Tecnologias quânticas da AWS
A nova instalação de última geração do Centro de Computação Quântica da AWS foi inaugurada em Pasadena, na Califórnia, onde a empresa está embarcando em uma jornada para construir um computador quântico tolerante a falhas. O novo edifício é dedicado aos esforços de computação quântica da empresa e inclui espaço de escritório para abrigar as equipes de pesquisa quântica, laboratórios que compreendem o equipamento científico e ferramentas especializadas para projetar e operar dispositivos quânticos. A equipe de engenheiros de hardware, teóricos quânticos e desenvolvedores de software trabalham lado a lado para enfrentar os muitos desafios de construir melhores computadores quânticos. A nova instalação inclui tudo o que é necessário para expandir os limites da P&D quântica: desde fazer, testar e operar processadores quânticos, até inovar os processos para controlar computadores quânticos e dimensionar as tecnologias necessárias para suportar dispositivos quânticos maiores, como sistemas de resfriamento criogênico e fiação.
Da pesquisa à realidade
Uma meta ousada, como construir um computador quântico tolerante a falhas, naturalmente significa que haverá desafios científicos e de engenharia significativos ao longo do caminho. Apoiar pesquisa fundamental e se comprometer com a comunidade científica que trabalha nesses problemas é essencial para acelerar o progresso. O centro está localizado no campus Caltech, o que permite à empresa interagir com alunos e professores dos principais grupos de pesquisa em física e engenharia a apenas alguns edifícios de distância. A AWS escolheu realizar a parceria com a Caltech, em parte, devido à rica história de contribuições da universidade para a computação – clássica e quântica – de pioneiros como Richard Feynman, cuja visão há 40 anos pode ser creditada com o pontapé inicial no campo da computação quântica, para os atuais líderes técnicos do Centro de Computação Quântica da AWS: Oskar Painter (professor de Física Aplicada, head de Hardware Quântico) e Fernando Brandão (professor de Física Teórica, head de Algoritmos Quânticos). Essa parceria também apoia a próxima geração de cientistas quânticos, fornecendo bolsas de estudo e oportunidades de treinamento para alunos e jovens membros do corpo docente.
Esse relacionamento com um grupo diversificado de pesquisadores ajuda o novo centro a permanecer na vanguarda da pesquisa em ciências da informação quântica. Por exemplo, vários especialistas em campos relacionados ao quântico estão contribuindo como participantes dos programas Amazon Scholars e Amazon Visiting Academics. Os nomes incluem Liang Jiang (Universidade de Chicago), Alexey Gorshkov (Universidade de Maryland), John Preskill (Caltech), Gil Refael (Caltech), Amir Safavi-Naeimi (Stanford), Dave Schuster (Universidade de Chicago) e James Whitfield (Dartmouth). Esses especialistas ajudam a inovar e superar desafios técnicos, mesmo enquanto continuam a ensinar e conduzir pesquisas em suas universidades. Essas colaborações neste estágio inicial serão críticas para entender melhor as aplicações potenciais e o impacto social das tecnologias quânticas.
Construindo um qubit melhor
Há muitas maneiras de criar fisicamente um computador quântico: a informação quântica pode, por exemplo, ser codificada em partículas encontradas na natureza, como fótons ou átomos. O Centro de Computação Quântica da AWS está se concentrando em qubits supercondutores – elementos de circuito elétrico construídos com materiais supercondutores. Essa abordagem foi escolhida, em parte, porque a capacidade de fabricar esses qubits usando técnicas de fabricação microeletrônica bem conhecidas torna possível fazer muitos qubits de forma repetível e oferece mais controle quando se começa a aumentar o número de qubits. Entretanto, construir um computador quântico útil é mais do que aumentar o número de qubits. Outra métrica importante é a velocidade do clock do computador, o tempo necessário para realizar as operações da porta quântica. Velocidades de clock mais rápidas significam resolver problemas mais rapidamente. Nesse quesito, os qubits supercondutores têm uma vantagem sobre outras modalidades.
A medida final da qualidade dos qubits será a taxa de erro ou a precisão com que se pode realizar portas quânticas. Os dispositivos quânticos disponíveis hoje são barulhentos e, como resultado, limitados no tamanho dos circuitos que podem controlar (algumas milhares de portas são o melhor que se pode esperar com os dispositivos NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) – mas isso limita muito o poder computacional. Há duas maneiras do Centro de Computação Quântica da AWS criar melhores qubits: a primeira é melhorar as taxas de erro no nível físico, investindo em melhorias materiais que reduzem o ruído, por exemplo. A segunda é por meio de arquiteturas qubit inovadoras, incluindo o uso de correção de erros quânticos (QEC) para reduzir erros de porta quântica, codificando informações de forma redundante em um qubit protegido, chamado qubit lógico. Isso permite a detecção e correção de erros de porta e a implementação de operações de porta nos qubits codificados de uma forma tolerante a falhas.
Inovando na correção de erros
O QEC típico requer um grande número de qubits físicos para codificar cada qubit de informações lógicas. O centro tem pesquisado maneiras de reduzir essa sobrecarga por meio do uso de arquiteturas qubit que permitem implementar a correção de erros com mais eficiência em hardware quântico. Há um otimismo, em particular, sobre as abordagens que fazem uso de osciladores harmônicos lineares, como qubits Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) e qubits Gato de Schrödinger, e, recentemente, o centro propôs um design teórico para um computador quântico tolerante a falhas baseado em arquitetura de hardware eficiente que utiliza qubits Gato de Schrödinger.
Uma coisa que diferencia essa abordagem é que uma técnica chamada “polarização de erros” é utilizada. Existem dois tipos de erros que podem afetar a computação quântica: bit-flip (alternância entre o estado 0 e 1 devido ao ruído) e phase-flips (reversão da paridade na superposição de 0 e 1). Na polarização de erros, são usados qubits físicos que permitem suprimir os desvios de bits exponencialmente, enquanto apenas aumentam os desvios de fase linearmente. Em seguida, essa polarização de erros é combinada com um código de repetição externo que consiste em uma cadeia linear de qubits Gato de Schrödinger para detectar e corrigir os erros de inversão de fase restantes. O resultado é um qubit lógico tolerante a falhas que possui uma taxa de erro inferior para armazenar e manipular as informações quânticas codificadas. Não ter que corrigir os erros de bit-flip é o motivo pelo qual essa arquitetura é eficiente em hardware e mostra um enorme potencial para escalonamento.
Construindo o futuro para os clientes
A jornada para se chegar a um computador quântico com correção de erros começa com alguns qubits lógicos. Um marco importante para a equipe do centro – e para o campo da computação quântica – será demonstrar o ponto de equilíbrio com um qubit lógico, onde a precisão do qubit lógico ultrapassa a precisão dos qubits físicos que constituem seus blocos de construção. O objetivo final é fornecer um computador quântico com correção de erros que possa realizar cálculos confiáveisnão apenas além do que qualquer tecnologia de computação clássica é capaz, mas na escala necessária para resolver problemas práticos dos clientes.
Por que definir uma meta tão ambiciosa? Os algoritmos quânticos com maior potencial de impacto significativo em indústrias como manufatura ou farmacêutica, por exemplo, não podem ser resolvidos simplesmente expandindo as tecnologias quânticas de hoje. Buscar inovações revolucionárias em vez de melhorias incrementais sempre leva mais tempo, mas uma abordagem ousada que reconsidere fundamentalmente o que faz um bom qubit é a melhor maneira de entregar a ferramenta computacional definitiva: uma máquina que pode executar algoritmos que requerem centenas de milhares a bilhões de operações de porta quântica em cada qubit com, no máximo, um erro no número total de portas – um nível de precisão necessário para resolver os problemas computacionais com valor social e comercial mais complexos.
Nos últimos dois anos, os clientes de quantum da AWS mais engajados com o potencial do quantum também são realistas sobre os desafios de realizar todo o potencial dessa tecnologia. Eles estão ansiosos para colaborar para torná-la uma realidade, ao mesmo tempo em que constroem sua própria expertise interna. No Centro de Computação Quântica da AWS, foi reunida uma equipe comprometida com esta emocionante jornada em direção à computação quântica tolerante a falhas. Fique ligado e junte-se a nós.