Por Jay Gambetta, IBM Fellow e VP da IBM Quantum
Em 1969, os humanos superaram obstáculos tecnológicos sem precedentes para fazer história: colocamos dois de nossa espécie na Lua e os devolvemos com segurança. Os computadores de hoje são capazes, mas certamente são orientados para a Terra quando se trata de capturar com precisão os detalhes mais sutis de nosso universo. Construir um dispositivo que realmente capture o comportamento dos átomos e possa aproveitar esse comportamento para resolver alguns dos problemas mais desafiadores de nosso tempo pode parecer impossível se apenas pensarmos no mundo computacional que conhecemos. Mas, assim como o pouso na Lua, nosso objetivo final é acessar uma dimensão que está além do que é possível com os computadores clássicos: queremos construir um computador quântico em grande escala. O computador quântico do futuro assumirá onde os computadores clássicos falham, controlando o comportamento dos átomos para executar aplicativos revolucionários em todas as indústrias, o que nos permite gerar materiais que mudarão o mundo ou transformarão a forma como fazemos negócios.
Hoje, lançamos o roadmap que acreditamos que nos levará dos dispositivos de pequena escala barulhentos do presente para os dispositivos de milhões de qubits do futuro. Nossa equipe está desenvolvendo um conjunto de processadores escaláveis, cada vez maiores e melhores, com um dispositivo de mais de 1000 qubits, chamado IBM Quantum Condor, visando o final de 2023. Para acomodar dispositivos ainda mais massivos além do Condor, estamos desenvolvendo um refrigerador de diluição maior do que qualquer um atualmente disponível no mercado. Este roadmap nos guia para os processadores de mais de um milhão de qubits do futuro, graças ao conhecimento líder da indústria, equipes multidisciplinares e a metodologia ágil que melhora cada elemento desses sistemas. Enquanto isso, nosso roadmap de hardware está no centro de uma missão maior: projetar um computador quântico full-stack, implantado por meio da nuvem, que qualquer pessoa no mundo possa programar.
A equipe do IBM Quantum constrói processadores quânticos – ou seja, processadores computacionais que dependem da matemática de partículas elementares para expandir nossas capacidades computacionais, executando circuitos quânticos em vez dos circuitos lógicos de computadores digitais. Representamos dados usando os estados quânticos eletrônicos de átomos artificiais conhecidos como qubits transmon supercondutores, que são conectados e manipulados por sequências de pulsos de micro-ondas para permitir que esses circuitos funcionem. Mas os qubits esquecem rapidamente seus estados quânticos devido à interação com o mundo exterior. O maior desafio que nossa equipe enfrenta hoje é descobrir como controlar grandes sistemas desses qubits por tempo suficiente e minimizar erros para executar os complexos circuitos quânticos exigidos por futuras aplicações quânticas.
A IBM tem explorado qubits supercondutores desde meados dos anos 2000, aumentando os tempos de coerência e diminuindo os erros para habilitar dispositivos multi-qubit desde o início dos anos 2010. Refinamentos e avanços contínuos em todos os níveis do sistema, de qubits a compiladores, nos permitiram colocar o primeiro computador quântico na nuvem em 2016. Estamos orgulhosos de nosso trabalho. Hoje, mantemos mais de duas dúzias de sistemas estáveis na nuvem IBM para nossos clientes e o público em geral experimentar, incluindo nossos processadores IBM Quantum Canary de 5 qubits e nossos processadores IBM Quantum Falcon de 27 qubits, um dos quais recentemente executou um circuito quântico longo o suficiente para declarar um Volume Quântico de 64. Essa conquista não foi uma questão de construir mais qubits; em vez disso, fizemos melhorias no compilador, refinamos a calibração das portas de dois qubits e lançamos atualizações para leitura e gerenciamento de ruído com base em ajustes de pulsos de micro-ondas. Por trás de tudo está o hardware com métricas de dispositivo líderes mundiais, construído com processos exclusivos para permitir um desempenho confiável.
Paralelamente aos nossos esforços para melhorar nossos dispositivos menores, também estamos incorporando as muitas lições aprendidas em um roadmap ambicioso para dimensionar sistemas maiores. Na verdade, neste mês, lançamos discretamente nosso processador IBM Quantum Hummingbird de 65 qubits para membros de nossa IBM Q Network. Este dispositivo possui multiplexação de leitura 8: 1, o que significa que combinamos oito sinais de leitura de qubit em 1, reduzindo a quantidade total de fiação e componentes necessários para a leitura e melhorando nossa capacidade de escala, preservando todos recursos de alto desempenho da geração de processadores Falcon. Reduzimos significativamente o tempo de latência do processamento de sinal no sistema de controle associado, em preparação para os próximos recursos do sistema de feedback e feed-forward, onde seremos capazes de controlar qubits com base em condições clássicas enquanto o circuito quântico está funcionando.
No próximo ano, vamos apresentar nosso processador IBM Quantum Eagle de 127 qubit. O Eagle apresenta várias atualizações para superar o marco de 100 qubit: crucialmente, as vias de silício (TSVs) e a fiação de vários níveis fornecem a capacidade de espalhar com eficácia uma grande densidade de sinais de controle clássicos, protegendo os qubits em uma camada separada para manter altos tempos de coerência. Enquanto isso, alcançamos um equilíbrio delicado de conectividade e redução de erro de crosstalk com nossa abordagem de frequência fixa para portas de dois qubit e arranjo de qubit hexagonal introduzido pela Falcon. Este layout de qubit nos permitirá implementar o código de correção de erros “hexagonal pesado” que nossa equipe estreou no ano passado, de modo que conforme aumentamos o número de qubits físicos, também seremos capazes de explorar como eles funcionarão juntos como qubits lógicos com correção de erros – cada processador que projetamos tem considerações de tolerância a falhas.
Com o processador Eagle, apresentaremos também recursos clássicos de computação simultânea em tempo real que permitirão a execução de uma família mais ampla de circuitos e códigos quânticos.
Os princípios de design estabelecidos para nossos processadores menores nos guiarão para o lançamento de um sistema IBM Quantum Osprey de 433 qubits em 2022. Controles densos e mais eficientes e a infraestrutura criogênica garantirão que a ampliação de nossos processadores não sacrifique o desempenho de nossos qubits individuais, introduza mais fontes de ruído ou ocupe uma pegada muito grande.
Em 2023, apresentaremos o processador de 1121 qubits IBM Quantum Condor, incorporando as lições aprendidas com os processadores anteriores à medida que continuamos a reduzir erros críticos de dois qubits para que possamos executar circuitos quânticos mais longos. Vemos o Condor como um ponto de inflexão, um marco para nossa capacidade de implementar correção de erros e dimensionar nossos dispositivos e, ao mesmo tempo, é complexo o suficiente para explorar vantagens quânticas potenciais – problemas que podemos resolver com mais eficiência em um computador quântico do que nos melhores supercomputadores do mundo.
O desenvolvimento necessário para construir o Condor terá resolvido alguns dos desafios mais urgentes em como dimensionar um computador quântico. No entanto, à medida que exploramos domínios além da marca dos mil qubits, os refrigeradores de diluição comerciais de hoje já não serão capazes de refrigerar e isolar com eficácia tais dispositivos complexos e potencialmente grandes.
É por isso que também estamos introduzindo um “super cooler” de 3 metros de altura e 1,80 de largura conhecido como “Goldeneye”, um refrigerador de diluição maior do que os disponíveis comercialmente hoje. Nossa equipe projetou este gigante com um sistema de um milhão de qubits em mente e já começou os testes de viabilidade fundamentais. Em última análise, imaginamos um futuro no qual as interconexões quânticas conectem refrigeradores de diluição, cada um milhão de qubits, assim como a intranet se conecta a processadores de supercomputação, criando um computador quântico maciçamente paralelo capaz de transformar o mundo.
Saber o caminho a seguir não remove obstáculos; enfrentamos alguns dos maiores desafios da história do progresso tecnológico. Mas, com nossa visão clara, agora parece que um computador quântico tolerante a falhas pode ser uma meta alcançável na próxima década.
