Guia de uma pessoa comum para computação quântica híbrida
Stephen Hawking uma vez sugerido A afirmação de Albert Einstein de que “Deus não joga dados” com o universo estava errada. Na visão de Hawking, a descoberta da física dos buracos negros confirmou que Deus não apenas jogava dados, “mas que às vezes nos confunde jogando-os onde não podem ser vistos”.
Estamos aqui por acaso ou projeto?
Uma abordagem mais pragmática da questão, considerando o assunto em questão, seria assumir que todas as respostas estão corretas. Na verdade, essa é a base da física quântica.
Aqui está a explicação mais simples de como tudo funciona que você já leu: believe jogar uma moeda e depois ir embora seguro sabendo que ela deu cara ou coroa.
Se olharmos para todo o universo e começarmos a aumentar o zoom até chegarmos às menores partículas, veremos exatamente o mesmo efeito em suas interações. Eles vão fazer uma coisa ou outra. E, até que você os follow, esse potencial permanece.
Com todo esse potencial no universo esperando para ser observado, somos capazes de construir computadores quânticos.
No entanto, como todas as coisas quânticas, há uma dualidade envolvida em aproveitar os dados de Deus para nossas próprias necessidades humanas. Para cada feito alucinante da engenharia quântica que inventamos - espere até ler sobre pinças a laser e cristais do pace - precisamos de alguma tecnologia aterrada para controlá-lo.
Na realidade, não existe um “computador puramente quântico” e provavelmente nunca existirá. Eles são todos sistemas híbridos quântico-clássicos de uma forma ou de outra.
Computação quântica
Vamos começar com por que precisamos de computadores quânticos. Computadores clássicos (ou binários, como costumam ser chamados) – do tipo em que você está lendo isso – completam metas resolvendo tarefas.
Programamos computadores para fazer o que queremos, dando-lhes uma série de comandos. Se ecu pressionar a tecla “A” no meu teclado, o computador exibirá a letra “A” na minha tela.
Em algum lugar dentro da máquina, há um código informando como interpretar a tecla pressionada e como exibir os resultados.
Nossa espécie levou aproximadamente 200.000 anos para chegar tão longe.
No século passado, passamos a entender que a física newtoniana não se aplica a coisas em escalas muito pequenas, como partículas, ou objetos em escalas particularmente massivas, como buracos negros.
A lição mais útil que aprendemos em nosso estudo relativamente recente da física quântica é que partículas podem ficar emaranhadas.
Os computadores quânticos nos permitem aproveitar o poder do emaranhamento. Em vez de esperar que um comando seja executado, como fazem os computadores binários, os computadores quânticos podem tirar todas as suas conclusões de uma só vez. Em essência, eles são capazes de apresentar (quase) todas as respostas possíveis ao mesmo pace.
O main benefício disso é Pace. Uma tarefa de simulação ou otimização que pode levar um mês para um supercomputador pode ser concluída em meros segundos em um computador quântico.
A maioria comumente citado exemplo disso é a descoberta de medicamentos. Para criar novos medicamentos, os cientistas precisam estudar suas interações químicas. É como procurar uma agulha em um campo interminável de palheiros.
Existem combinações químicas quase infinitas no universo, separar suas reações químicas individuais combinadas é uma tarefa que nenhum supercomputador pode fazer em um período de pace útil.
A computação quântica promete acelerar esses tipos de tarefas e tornar comuns os cálculos anteriormente impossíveis.
Mas é preciso mais do que apenas {hardware} caro e de ponta para produzir essas saídas ultrarrápidas.
E, por serem ridiculamente caros e principalmente experimentais, são acessados quase exclusivamente por meio de conectividade na nuvem.
Na verdade, há todo um conjunto de tecnologias quânticas lá fora, além de híbrido computadores quânticosembora sejam a tecnologia que recebe mais atenção.
Em uma entrevista recente com a Neural, o CEO da SandboxAQ (uma empresa irmã do Google sob o guarda-chuva da Alphabet), Jack Hidary, lamentou:
Por alguma razão, a grande mídia parece se concentrar apenas na computação quântica.
Também existem sensores quânticos, comunicações quânticas, imagens quânticas e simulações quânticas – embora algumas delas também se sobreponham à computação híbrida quântica.
O ponto é, como Hidary também disse a Neural, “estamos em um ponto de inflexão”. A tecnologia quântica não é mais uma tecnologia de futuro distante. Está aqui em muitas formas hoje.
Mas o escopo deste artigo é limitado às tecnologias de computação quântica híbrida. E, para isso, estamos focados em duas coisas:
- Sistemas de recozimento quântico
- Computadores quânticos baseados em portas
É para aqui ou para ir?
Existem dois tipos de problemas no mundo da computação quântica: problemas de otimização e... do tipo que não são problemas de otimização.
Para o primeiro, você precisa de um sistema de recozimento quântico. E, para todo o resto, você precisa de um computador quântico baseado em portão… provavelmente. Esses ainda estão muito nos estágios iniciais de desenvolvimento.
Mas empresas como a D-Wave vêm construindo sistemas de recozimento quântico há décadas.
Veja como o D-Wave descreve o processo de recozimento:
O sistema começa com um conjunto de qubits, cada um em um estado de superposição de 0 e 1. Eles ainda não estão acoplados. Quando eles passam pelo recozimento quântico, os acopladores e as polarizações são introduzidos e os qubits ficam emaranhados. Neste ponto, o sistema está em um estado emaranhado de muitas respostas possíveis. Ao ultimate do recozimento, cada qubit está em um estado clássico que representa o estado de energia mínima do problema, ou muito próximo a ele.
Aqui está como descrevemos isso aqui na Neural: você já viu uma daquelas esculturas de arte em 3-d?
Computadores quânticos baseados em portas, por outro mão, funcionam de forma totalmente diferente. Eles são incrivelmente complexos e existem várias maneiras de implementá-los, mas, essencialmente, eles são executados algoritmos.
Estes incluem o novo sistema experimental de ponta da Microsoft que, de acordo com uma postagem recente no weblog, está quase pronto para o horário nobre:
A abordagem da Microsoft tem sido buscar um qubit topológico que tenha proteção integrada contra ruído ambiental, o que significa que deve levar muito menos qubits para realizar cálculos úteis e corrigir erros. Os qubits topológicos também devem ser capazes de processar informações rapidamente, e pode-se colocar mais de um milhão em um wafer menor que o chip de segurança em um cartão de crédito.
E mesmo o mais informal dos leitores de ciência provavelmente já ouviu falar sobre o incrível Google cristal do pace avanço.
Ano passado, aqui no NeuralEscrevi:
Os 'cristais do pace' do Google podem ser a maior conquista científica de nossas vidas.
Um cristal do pace é uma nova fase da matéria que, simplificada, seria como ter um floco de neve que alternava constantemente entre duas configurações diferentes. É uma treliça de sete pontas em um momento e uma treliça de dez pontas no próximo, ou seja o que for.
O que é incrível sobre os cristais do pace é que, quando eles alternam entre duas configurações diferentes, eles não perdem nem usam energia.
Caramba, até a D-Wave, a empresa que colocou o recozimento quântico no mapa, tem planos de introduzir computação quântica híbrida multiplataforma para as massas com um próximo modelo baseado em portão próprio.
Como Bob Wisnieff, CTO da IBM Quantum, disse à Neural de volta em 2019 quando a IBM revelou seu primeiro sistema quântico comercial:
Chegamos ao lugar certo na hora certa para a computação quântica, este é um projeto de alegria… Este design representa um momento the most important na tecnologia.
De acordo com Wisnieff e outros que estão construindo os sistemas híbridos de computadores quânticos de amanhã, a linha do pace do experimental ao totalmente implementado é muito curta.
Onde o recozimento e sistemas de otimização quântica semelhantes existem há anos, agora estamos vendo a primeira geração de modelos baseados em portas de vantagem quântica vir ao mercado.
Você pode se lembrar de ler sobre “supremacia quântica” alguns anos atrás. A vantagem quântica é a mesma coisa, mas, semanticamente falando, é um pouco mais precisa. Ambos os termos representam o ponto em que um computador quântico pode executar uma determinada função em um período de pace razoável que levaria muito pace para um computador clássico.
A razão pela qual a “supremacia” rapidamente caiu em desuso é porque os computadores quânticos dependem de computadores clássicos para realizar essas funções, então faz mais sentido dizer que eles dão uma vantagem quando usados em conjunto. Essa é a própria definição de computação quântica híbrida.
Quanto ao que vem a seguir? É improvável que você veja um desfile de fitas para computação quântica em breve. Não haverá um iPhone de computadores quânticos ou um zeitgeist cultural em torno do lançamento de um processador específico.
Em vez disso, como todas as grandes coisas da ciência, ao longo dos próximos cinco, 10, 100 e 1.000 anos, cientistas e engenheiros continuarão a passar o bastão de uma geração para a outra enquanto se colocam nos ombros de gigantes para ver no futuro.
Graças ao seu trabalho contínuo, em nossas vidas provavelmente veremos grandes melhorias nas redes elétricas, uma resolução para conflitos de agendamento em massa, otimizações dinâmicas de remessa, simulações de química quântica perfeitas e até mesmo os primeiros indícios de tecnologia de futuro distante, como como motores de dobra.
Esses avanços tecnológicos melhorarão nossa qualidade de vida, prolongarão nossas vidas e nos ajudarão a reverter as mudanças climáticas causadas pelo homem.
A computação quântica híbrida é, em nossa humilde opinião aqui na Neural, a tecnologia mais importante que a humanidade já se esforçou para desenvolver. Esperamos que você fique conosco enquanto continuamos a abrir caminho de cobertura na fronteira deste novo e empolgante reino da engenharia.