Hoje, a Amazon Web Services (AWS) anunciou o Ocelot, um novo chip de computação quântica que pode reduzir os custos de implementação da correção quântica de erros em até 90%, em comparação com as abordagens atuais. Desenvolvido pela equipe do Centro de Computação Quântica da AWS no Instituto de Tecnologia da Califórnia, o Ocelot representa um avanço na busca pela criação de computadores quânticos tolerantes a falhas, capazes de resolver problemas de importância comercial e científica que estão além do alcance dos computadores convencionais atuais.
A AWS usou um design inovador para a arquitetura da Ocelot, criando a correção de erros do zero e usando o 'cat qubit'. Os qubits felinos, batizados em homenagem ao famoso experimento mental do gato de Schrödinger, suprimem intrinsecamente certas formas de erros, reduzindo os recursos necessários para a correção quântica de erros. Por meio dessa nova abordagem com a Ocelot, os pesquisadores da AWS combinaram, pela primeira vez, a tecnologia cat qubit e componentes adicionais de correção de erros quânticos em um microchip que pode ser fabricado de forma escalável usando processos emprestados da indústria de microeletrônica.
A história mostra que avanços importantes na computação foram feitos repensando fundamentalmente os componentes de hardware, pois isso pode ter um impacto significativo no custo, no desempenho e até na viabilidade de uma nova tecnologia. A revolução do computador realmente decolou quando o transistor substituiu o tubo de vácuo, permitindo que computadores do tamanho de uma sala fossem reduzidos aos laptops compactos e muito mais poderosos, confiáveis e de baixo custo de hoje. Escolher o alicerce certo para escalar é fundamental, e o anúncio de hoje representa uma etapa importante no desenvolvimento de meios eficientes de escalar para computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas.
“Com os recentes avanços na pesquisa quântica, não é mais uma questão de se, mas de quando computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas estarão disponíveis para aplicações no mundo real. A Ocelot é um passo importante nessa jornada”, disse Oskar Painter, diretor da Quantum Hardware da AWS. “No futuro, os chips quânticos construídos de acordo com a arquitetura Ocelot poderiam custar apenas um quinto das abordagens atuais, devido ao número drasticamente reduzido de recursos necessários para a correção de erros. Concretamente, acreditamos que isso acelerará nossa linha do tempo para um computador quântico prático em até cinco anos.”
Pesquisadores da AWS publicaram suas descobertas em um artigo de pesquisa revisado por pares na Nature. Você também pode ler um artigo mais técnico sobre Ocelot no site Amazon Science.
O grande desafio da computação quântica
Um dos maiores desafios dos computadores quânticos é que eles são incrivelmente sensíveis às menores mudanças ou “ruídos” em seu ambiente. Vibrações, calor, interferência eletromagnética de telefones celulares e redes Wi-Fi, ou mesmo raios cósmicos e radiação do espaço sideral, podem tirar os qubits de seu estado quântico, causando erros na computação quântica que está sendo executada. Historicamente, isso tornou extremamente difícil construir computadores quânticos capazes de realizar cálculos confiáveis e sem erros de qualquer complexidade significativa. “O maior desafio não é apenas construir mais qubits”, disse Painter. “Está fazendo com que funcionem de forma confiável.”
Para resolver esse problema, os computadores quânticos contam com a correção quântica de erros que usa codificações especiais de informações quânticas em vários qubits — na forma de qubits “lógicos” — para proteger as informações quânticas do ambiente. Isso também permite a detecção e correção de erros à medida que eles ocorrem. Infelizmente, dado o grande número de qubits necessários para obter resultados precisos, as abordagens atuais para a correção quântica de erros têm um custo enorme e, portanto, proibitivo.
Uma nova abordagem para correção de erros quânticos
Para resolver os problemas atuais associados à correção quântica de erros, pesquisadores da AWS desenvolveram o Ocelot. O Ocelot foi projetado do zero com a correção de erros “embutida”. “Analisamos como outras pessoas estavam abordando a correção quântica de erros e decidimos seguir um caminho diferente”, disse Painter. “Não pegamos uma arquitetura existente e depois tentamos incorporar a correção de erros. Selecionamos nosso qubit e arquitetura com a correção quântica de erros como o principal requisito. Acreditamos que, se vamos fazer computadores quânticos práticos, a correção quântica de erros precisa vir em primeiro lugar.” Na verdade, de acordo com Painter, sua equipe estima que escalar o Ocelot para um “computador quântico completo, capaz de causar um impacto social transformador, exigiria apenas um décimo dos recursos associados às abordagens padrão de correção de erros quânticos”.
Uma maneira de pensar sobre a correção quântica é no contexto do controle de qualidade na fabricação e na diferença entre precisar de um ponto de inspeção para detectar todos os defeitos, em vez de 10 pontos de inspeção. Em outras palavras, ele oferece o mesmo resultado, mas com menos recursos e um processo geral de fabricação aprimorado. Ao reduzir a quantidade de recursos necessários por meio de abordagens como a Ocelot, os computadores quânticos podem ser construídos de forma menor, mais confiável e com menor custo. Tudo isso acelera o caminho para a aplicação da computação quântica a aplicações futuras no mundo real, como a descoberta e o desenvolvimento mais rápidos de medicamentos, a produção de novos materiais, a capacidade de fazer previsões mais precisas sobre estratégias de risco e investimento nos mercados financeiros e muito mais.
Tornando a ficção científica um fato científico
Embora o anúncio de hoje seja um começo promissor, o Ocelot ainda é um protótipo e a AWS está comprometida em continuar investindo em pesquisas quânticas e refinando sua abordagem. Da mesma forma que foram necessários muitos anos de desenvolvimento e aprendizado para executar sistemas x86 (uma arquitetura de computador amplamente usada para unidades centrais de processamento) de forma confiável e segura em grande escala para transformar o Graviton em um dos principais chips da nuvem, a AWS está adotando uma abordagem semelhante à computação quântica. “Estamos apenas começando e acreditamos que temos vários outros estágios de dimensionamento pela frente”, disse Painter. “É um problema muito difícil de resolver, e precisaremos continuar investindo em pesquisa básica, permanecendo conectados e aprendendo com o importante trabalho que está sendo feito na academia. No momento, nossa tarefa é continuar inovando em toda a tecnologia de computação quântica, continuar examinando se estamos usando a arquitetura correta e incorporar esses conhecimentos em nossos esforços de engenharia. É um motor de melhoria e escalabilidade contínuas.”
Como começar com a computação quântica
Os clientes podem começar a explorar a computação quântica hoje mesmo com o Amazon Braket na AWS. O Amazon Braket é um serviço de computação quântica totalmente gerenciado que permite que cientistas, desenvolvedores e estudantes trabalhem com uma variedade de hardwares de computação quântica de terceiros, simuladores de alto desempenho e um conjunto de ferramentas de software que facilitam o início da computação quântica.
Ocelot: fatos rápidos
- O Ocelot é um protótipo de chip de computação quântica, projetado para testar a eficácia da arquitetura de correção quântica de erros da AWS.
- É composto por dois microchips de silício integrados. Cada chip tem uma área de aproximadamente 1cm2. Eles são unidos um sobre o outro em uma pilha de chips conectada eletricamente.
- Na superfície de cada microchip de silício estão finas camadas de materiais supercondutores que formam os elementos do circuito quântico.
- O chip Ocelot é composto por 14 componentes principais: cinco qubits de dados (os qubits cat), cinco “circuitos de buffer” para estabilizar os qubits de dados e quatro qubits adicionais para detectar erros nos qubits de dados.
- Os qubits cat armazenam os estados quânticos usados para computação. Para isso, eles contam com componentes chamados osciladores, que geram um sinal elétrico repetitivo com temporização constante.
- Os osciladores de alta qualidade da Ocelot são feitos de uma fina película de material supercondutor chamada tântalo. Os cientistas de materiais da AWS desenvolveram uma forma específica de processar tântalo no chip de silício para aumentar o desempenho do oscilador.
Como funcionam os computadores quânticos?
Os computadores quânticos têm o potencial de impulsionar grandes avanços na sociedade e na tecnologia, da criptografia à engenharia de novos materiais. A principal diferença entre os computadores convencionais ou “clássicos” que usamos hoje e os computadores quânticos é que os computadores clássicos usam bits — geralmente representados como um valor digital de 1 ou 0 — como sua unidade de informação mais básica. Mas os computadores quânticos usam bits quânticos, ou “qubits” — geralmente partículas elementares, como elétrons ou fótons — para fazer cálculos. Os cientistas podem aplicar pulsos eletromagnéticos cronometrados e ajustados com precisão para manipular o que é chamado de “estado quântico” do qubit, onde ele pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo. Esse comportamento alucinante, quando executado em muitos qubits, permite que um computador quântico resolva alguns problemas importantes exponencialmente mais rápido do que um computador clássico jamais poderia.
Saiba mais sobre o AWS Center for Quantum Computing.