Por dentro de como os engenheiros da IBM estão projetando computadores quânticos

Algumas semanas atrás, acordei de manhã estranhamente cedo no Brooklyn, entrei no meu carro e subi o rio Hudson até a pequena comunidade de Yorktown Heights no condado de Westchester. Lá, em meio às colinas e antigas casas de fazenda, fica o Centro de Pesquisa Thomas J. Watson, o Projetado por Eero Saarinensede da generation do jato da década de 1960 para a IBM Analysis.

Nas profundezas daquele prédio, através de intermináveis ​​corredores e portões de segurança guardados por scanners de íris, é onde os cientistas da empresa estão trabalhando duro para desenvolver o que o diretor de pesquisa da IBM, Dario Gil, me disse ser “o próximo ramo da computação”: computadores quânticos.

Ecu estava no Watson Middle para visualizar o projeto da IBM roteiro técnico atualizado para alcançar a computação quântica prática e em larga escala. Isso envolveu muita conversa sobre “contagem de qubits”, “coerência quântica”, “mitigação de erros”, “orquestração de device” e outros tópicos que você precisaria para ser um engenheiro elétrico com formação em ciência da computação e familiaridade com quântica. mecânica para seguir completamente.

Ecu não sou nada disso, mas tenho assistiu o espaço de computação quântica por pace suficiente saber que o trabalho que está sendo feito aqui pelos pesquisadores da IBM – junto com seus concorrentes em empresas como Google e Microsoft, juntamente com inúmeras startups ao redor do mundo – deve impulsionar o próximo grande salto na computação. O que, dado que a computação é uma “tecnologia horizontal que toca tudo”, como Gil me disse, terá grandes implicações para o progresso em tudo, desde cíber segurança para inteligência synthetic para projetando baterias melhores.

Desde que, é claro, eles possam realmente fazer essas coisas funcionarem.

Entrando no reino quântico

A melhor maneira de entender um computador quântico – a não ser reservar vários anos para a pós-graduação no MIT ou Caltech – é compará-lo com o tipo de máquina que estou digitando neste artigo. em: um computador clássico.

Meu MacBook Air roda em um chip M1, que contém 16 bilhões de transistores. Cada um desses transistores pode representar o “1” ou o “0” da informação binária de uma só vez – um bit. O grande número de transistores é o que dá à máquina seu poder de computação.

Dezesseis bilhões de transistores embalados em um chip de 120,5 mm quadrados é muito – TRADIC, o primeiro computador transistorizado, tinha menos de 800. A capacidade da indústria de semicondutores de projetar cada vez mais transistores em um chip, uma tendência prevista pelo cofundador da Intel Gordon Moore no lei que leva seu nomeé o que possibilitou o crescimento exponencial do poder de computação, que por sua vez possibilitou praticamente todo o resto.

Mas há coisas que os computadores clássicos não podem fazer que nunca serão capazes de fazer, não importa quantos transistores sejam colocados em um quadrado de silício em uma fábrica de semicondutores em Taiwan (ou “fab”, no jargão da indústria). E é aí que entram as propriedades únicas e francamente estranhas dos computadores quânticos.

Em vez de bits, os computadores quânticos processam informações usando qubits, que podem representar “0” e “1” simultaneamente. Como eles fizeram isso? Você está forçando meu nível de conhecimento aqui, mas essencialmente os qubits fazem uso do fenômeno da mecânica quântica conhecido como “superposição”, pelo qual as propriedades de algumas partículas subatômicas não são definidas até que sejam medidas. Pense no gato de Schrödinger, simultaneamente morto e vivo até que você abra sua caixa.

Um único qubit é fofo, mas as coisas ficam realmente empolgantes quando você começa a adicionar mais. O poder de computação clássico aumenta linearmente com a adição de cada transistor, mas o poder de um computador quântico aumenta exponencialmente com a adição de cada novo qubit confiável. Isso se deve a outra propriedade da mecânica quântica chamada “emaranhamento”, pela qual as probabilidades individuais de cada qubit podem ser afetadas pelos outros qubits no sistema.

Tudo isso significa que o limite awesome do poder de um computador quântico viável excede em muito o que seria possível na computação clássica.

Assim, os computadores quânticos poderiam teoricamente resolver problemas que um computador clássico, não importa o quão poderoso, nunca poderia. Que tipo de problemas? E quanto à natureza basic da realidade subject matter, que, afinal de contas, funciona na mecânica quântica, não na mecânica clássica? (Desculpe, Newton.) “Os computadores quânticos simulam problemas que encontramos na natureza e na química”, disse Jay Gambetta, vice-presidente de computação quântica da IBM.

Os computadores quânticos podem simular as propriedades de uma bateria teórica para ajudar a projetar uma que seja muito mais eficiente e poderosa do que as versões atuais. Eles poderiam desvendar problemas logísticos complexos, descobrir rotas de entrega ideais ou melhorar as previsões para a ciência climática.

No lado da segurança, os computadores quânticos podem quebrar os métodos de criptografia, potencialmente tornando inseguros desde e-mails a dados financeiros e segredos nacionais – e é por isso que a corrida pela supremacia quântica também é uma competição internacional, que o O governo chinês está despejando bilhões em. Essas preocupações ajudaram a Casa Branca no início deste mês a lançar um novo memorando para arquitetar a liderança nacional em computação quântica e preparar o país para ameaças de segurança cibernética assistidas por quantum.

Além dos problemas de segurança, as vantagens financeiras potenciais podem ser significativas. As empresas já estão oferecendo serviços iniciais de computação quântica por meio da nuvem para clientes como a Exxon Mobil e a banco espanhol BBVA. Enquanto o mercado international de computação quântica valeu menos de US$ 500 milhões em 2020, a Global Knowledge Company projetos que atingirá US$ 8,6 bilhões em receita até 2027, com mais de US$ 16 bilhões em investimentos.

Mas nada disso será possível a menos que os pesquisadores possam fazer o trabalho duro de engenharia de transformar um computador quântico do que ainda é em grande parte um experimento científico em uma indústria confiável.

A câmara fria

Dentro do edifício Watson, Jerry Chow – que dirige o centro experimental de computação quântica da IBM – abriu um cubo de vidro de 9 pés para me mostrar algo que parecia um lustre feito de ouro: Quantum Machine One da IBM. Grande parte do lustre é essencialmente uma geladeira de alta tecnologia, com bobinas que transportam superfluidos capazes de resfriar o {hardware} a 100 graus Celsius acima do 0 absoluto – mais frio, Chow me disse, do que o espaço sideral.

A refrigeração é basic para fazer os computadores quânticos da IBM funcionarem e também demonstra por que isso é um desafio de engenharia. Embora os computadores quânticos sejam potencialmente muito mais poderosos do que seus equivalentes clássicos, eles também são muito, muito mais meticulosos.

Lembre-se do que european disse sobre as propriedades quânticas de superposição e emaranhamento? Enquanto os qubits podem fazer coisas que um mero bit nunca poderia sonhar, a menor variação de temperatura, ruído ou radiação pode fazer com que eles percam essas propriedades através de algo chamado decoerência.

Essa refrigeração sofisticada foi projetada para evitar que os qubits do sistema se descoerem antes que o computador conclua seus cálculos. Os primeiros qubits supercondutores perderam a coerência em menos de um nanossegundo, enquanto hoje os computadores quânticos mais avançados da IBM podem manter a coerência por até 400 microssegundos. (Cada segundo contém 1 milhão de microssegundos.)

O desafio que a IBM e outras empresas enfrentam é projetar computadores quânticos menos propensos a erros enquanto “escalam os sistemas além de milhares ou até dezenas de milhares de qubits para talvez milhões deles”, disse Chow.

Isso pode demorar anos. No ano passado, a IBM apresentou o Eagle, um processador de 127 qubits e, em seu novo roteiro técnico, pretende revelar um processador de 433 qubits chamado Osprey ainda este ano e um computador com mais de 4.000 qubits até 2025. Naquela época , a computação quântica pode ir além da fase de experimentação, o CEO da IBM, Arvind Krishna disse a repórteres em um evento de imprensa no início deste mês.

Muitos especialistas estão céticos de que a IBM ou qualquer um de seus concorrentes chegará lá, levantando a possibilidade de que os problemas de engenharia apresentados pelos computadores quânticos sejam simplesmente demasiado difícil para que os sistemas sejam realmente confiáveis. “O que aconteceu na última década é que houve um tremendo número de reivindicações sobre as coisas mais imediatas que você pode fazer com um computador quântico, como resolver todos esses problemas de aprendizado de máquina”, Scott Aaronson, especialista em computação quântica da Universidade de Texas, me disse ano passado. “Mas essas alegações são cerca de 90% besteiras.” Para cumprir essa promessa, “você vai precisar de algum desenvolvimento revolucionário”.

Em um mundo cada vez mais virtual, o progresso dependerá de nossa capacidade de obter cada vez mais dos computadores que criamos. E isso dependerá do trabalho de pesquisadores como Chow e seus colegas, trabalhando em laboratórios sem janelas para alcançar um novo desenvolvimento revolucionário em torno de alguns dos problemas mais difíceis da engenharia da computação – e ao longo do caminho, tentando construir o futuro.

Uma versão desta história foi inicialmente publicada no boletim Long term Very best. Inscreva-se aqui para se inscrever!