A computação quântica está mais próxima da realidade?

A computação quântica - a idéia de trabalhar com computadores que mostram propriedades quânticas, como poder manter vários estados ao mesmo tempo - é discutida há muito tempo, mas agora parece estar se aproximando da realidade, com grandes avanços. Na conferência Techonomy da semana passada, tive a oportunidade de organizar um painel sobre o assunto com líderes de algumas das empresas que estão forçando o envelope sobre esse tópico, incluindo D-Wave e IBM.

Bryan Jacobs, consultor da Berberian & Company, que oferece consultoria em computação quântica, explicou que em todos os eletrônicos que usamos atualmente, as informações são armazenadas através da carga de um elétron que está ligado ou desligado; em outras palavras, um pouco. Mas se você codificar a informação em um estado quântico, como um único elétron ou um fóton, poderá mapeá-la em um zero e em um, assim como em um bit clássico regular, mas também em uma superposição, onde pode ser zero e um simultaneamente.. Ele explicou que a noção interessante é que, se você tem um computador quântico que possui um grande número desses bits quânticos - geralmente chamados de qubits -, pode iniciá-lo em uma superposição de todas as entradas possíveis ao mesmo tempo e, em seguida, se puder processar informações de uma maneira quântica coerente, em certo sentido, você pode calcular a mesma função em todas as entradas possíveis simultaneamente. É conhecido como paralelismo quântico. Ele observou que existem algumas abordagens diferentes que as pessoas estão tentando hoje - uma baseada em portas, que é mais parecida com os computadores digitais tradicionais, e a outra é meio semelhante a um processo analógico, conhecido como recozimento quântico.

Vern Brownell, CEO da D-Wave Systems, que realmente entregou algumas máquinas que usam recozimento quântico, disse que sua empresa optou por usar essa abordagem primeiro "porque pensamos que isso nos daria capacidade mais rapidamente do que qualquer outro tipo de quantum implementação de computação ". Ele disse que a D-Wave também analisou outros modelos de computação quântica, mas essa abordagem foi a mais pragmática.

Ele explicou que efetivamente possui um recozedor quântico com mil qubits, que é capaz de explorar um espaço de resposta com duas possibilidades diferentes de dois para o número de qubits. Essencialmente, isso funciona em problemas complexos de otimização e procura encontrar a menor energia ou a melhor resposta para esse problema de otimização. Brownell observou que o Google agora atualizou uma máquina comprada anteriormente para seu laboratório de inteligência artificial quântica, examinando como isso pode ajudar no aprendizado de máquina. Outro cliente é a Lockheed, que está analisando um problema chamado verificação e validação de software.

Brownell reconheceu que nenhum desses exemplos realmente entrou em produção ainda, mas disse que executou aplicativos reais que estão resolvendo problemas reais em escala. Em outras palavras, eles ainda não chegaram ao ponto em que a máquina D-Wave está superando os supercomputadores clássicos, mas ele disse que "estamos muito perto disso". Nos próximos meses, a empresa mostrará "que um computador quântico pode superar o melhor que a computação clássica pode fazer. Estamos nesse ponto de articulação agora".

Mark Ritter, ilustre membro da equipe de pesquisa e gerente sênior do departamento de ciências físicas do IBM TJ Watson Research Center, explicou que sua equipe está realizando vários projetos quânticos diferentes, mas concentrou seu trabalho na computação quântica baseada em portas e correção de erros.

Um dos teóricos de sua equipe, Sergey Bravyi, inventou "um código de paridade topológico". Ele explicou que também usamos códigos de correção de erros em computadores tradicionais, mas essas informações quânticas são muito frágeis. Portanto, para criar um sistema baseado em portas, você precisa de um código para proteger essas informações quânticas frágeis. Sua equipe criou um sistema de 4 qubit, com qubits chamados "transmons" que podem reter algumas das informações quânticas por um período mais longo e, com o código de correção de erros, podem criar computação quântica baseada em portas. Ele disse que isso é como uma treliça quadrada onde os qubits estão nos vértices do papel milimetrado; um algoritmo sobrepõe esse código aos qubits. O objetivo da IBM é poder adicionar mais e mais qubits a esse algoritmo. Ele disse que em breve poderá preservar o estado quântico indefinidamente.

Ele observou como os portões quânticos usam o entrelaçamento em todos os qubits e analisam todos os estados potenciais, comparando isso com o padrão de interferência que você vê quando você joga muitas pedras em uma lagoa e obtém interferência construtiva e destrutiva. A melhor resposta será interferida de forma construtiva, ele disse, e essa resposta será a única que você terá, se houver uma única resposta para o problema. Em um computador quântico baseado em portas, ele disse, você pode empregar a interferência nessa codificação para obter uma resposta no final do processo, e que isso deve ser exponencialmente acelerado para certos algoritmos.

Embora isso ainda esteja longe, Ritter disse que as pessoas também estão pensando em usar os qubits para executar simulações analógicas com alta coerência, como simular várias moléculas. Jacobs concordou com a simulação quântica e falou sobre simulações químicas de moléculas estáveis ​​para encontrar drogas.

Perguntei sobre o algoritmo de Shor, o que sugere que, com um computador quântico, você pode quebrar grande parte da criptografia convencional. Jacobs usou a analogia de um foguete tentando enviar astronautas para a lua. Jacobs disse que o algoritmo que executa o problema que estamos tentando resolver, como o algoritmo de Shor, é semelhante ao módulo de comando da nave-foguete e que a correção de erros - como no que a equipe de Ritter está trabalhando - é como os estágios do foguete. Mas, ele disse, os tipos de motores a combustível ou de foguete que temos no momento não são suficientes para foguetes de qualquer tamanho. Ele disse que é uma pergunta muito complicada, e que toda a sobrecarga associada à realização de cálculos quânticos e correção de erros significa que muitos dos algoritmos que parecem realmente promissores hoje podem não funcionar. Brownell disse que acha que temos uma década ou mais antes que os computadores quânticos possam quebrar a criptografia RSA e teremos que passar para a criptografia pós-quântica.

Brownell enfatizou que o modelo de gate da computação quântica é muito diferente do recozimento quântico e falou sobre a utilidade na solução de certos problemas de otimização atualmente. Ele também disse que quase consegue resolver problemas que estão além do alcance dos computadores clássicos. Em alguns benchmarks, ele observou, o Google descobriu que a máquina D-Wave poderia resolver problemas em algum lugar da ordem de 30 a 100.000x mais rápido do que um algoritmo de uso geral poderia hoje. Embora esse não fosse um algoritmo útil, ele disse que sua equipe está se concentrando em algoritmos reais de casos de uso que podem tirar proveito desse recurso, à medida que seu processador aumenta o desempenho a cada 12 a 18 meses.

Brownell comparou a computação quântica hoje à Intel em 1974, quando lançou o primeiro microprocessador. Ele estava na Digital Equipment Corp. naquele momento e disse que na época "não estávamos particularmente preocupados com a Intel, porque eles tinham esses pequenos microprocessadores baratos que não eram nem de longe tão poderosos quanto essas grandes caixas e outras coisas que tínhamos. Mas em questão de dez anos, você sabe, os negócios desapareceram completamente e a Digital saiu do negócio. " Ele disse que, embora não ache que a computação quântica ameaçaria todo o mundo da computação clássica, ele espera ver essas melhorias incrementais nos processadores a cada 18 meses, a um ponto em que será uma capacidade necessária para os gerentes de TI e desenvolvedores para usar.

Em particular, ele disse, a D-Wave co-desenvolveu algoritmos probabilísticos de aprendizado, alguns deles no espaço profundo de aprendizado, que podem fazer um trabalho melhor em reconhecer coisas e em treinamento do que podem ser feitos sem a computação quântica. Eventualmente, ele vê isso como um recurso na nuvem que será usado muito em complemento aos computadores clássicos.

Ritter disse que era difícil realmente comparar qualquer um dos métodos quânticos com máquinas clássicas que executam computação de propósito geral, porque as pessoas estão produzindo aceleradores e usando GPUs e FPGAs projetados para tarefas específicas. Ele disse que, se você realmente projetou um ASIC específico para resolver seu problema, a computação quântica real com aceleração real deve superar qualquer um deles, porque cada qubit adicionado duplica esse espaço de configuração. Em outras palavras, montar mil qubits deve aumentar o espaço em 2x1000 ^{th de} potência, o que ele observou ser mais do que o número de átomos no universo. E, ele disse, com um computador com porta, o problema é que os portões operam mais devagar que o seu telefone celular, para que você tenha mais operações acontecendo ao mesmo tempo, mas cada operação é mais lenta que em um computador clássico. "É por isso que você precisa fabricar uma máquina maior antes de ver esse cruzamento", disse ele.

Jacobs apontou o quanto a computação quântica poderia ser mais eficiente. "Se você olhar para a energia necessária usando os melhores supercomputadores super verdes do mundo, se você quiser fazer uma simulação de 65 qubit, isso exigiria cerca de uma usina nuclear", disse ele, "e então se você quisesse para fazer 66, seriam necessárias duas usinas nucleares ".

Brownell disse que, com mais de 1.000 qubits, a atual máquina D-Wave poderia, teoricamente, lidar com modelos de até 2 a 1000 ^th, equivalente a 10 a 300 ^th. (Para comparação, ele disse, os cientistas estimam que haja apenas de 10 a 80 átomos no universo.) Portanto, ele diz que os limites de desempenho no computador não são devidos a limitações no recozimento quântico, mas sim à limitação no I / O funciona, um problema de engenharia que está sendo resolvido a cada nova geração. Em alguns algoritmos de benchmark, a máquina de 1152 qubit da empresa deve ser 600 vezes mais poderosa do que o melhor que os computadores clássicos podem fazer, afirma ele.

A arquitetura da D-Wave, que usa uma matriz de qubits com acoplamentos que se assemelham a uma rede neural, teve aplicação inicial em redes neurais de aprendizado profundo em aprendizado de máquina.

Mas ele também falou sobre outras aplicações, como executar o equivalente às simulações de Monte Carlo, que costumava fazer no Goldman Sachs (onde era CIO) para cálculos de valor-risco. Lembrou-se de levar cerca de um milhão de núcleos e ter que correr da noite para o dia. Teoricamente, um computador quântico poderia fazer coisas semelhantes com muito menos energia. Ele disse que a máquina D-Wave usa muito pouco, mas precisa funcionar dentro de uma geladeira grande que mantém temperaturas muito baixas (cerca de 8 milikelvin), mas que a própria máquina leva apenas cerca de 15 a 20 kW para funcionar, o que é bastante pequeno para um data center.

Ritter mencionou uma idéia semelhante para o modelo baseado em portas e discutiu a amostragem de metrópoles quânticas, que ele disse ser o equivalente a Monte Carlo quântico, mas com estatísticas diferentes por causa das propriedades de emaranhamento.

A equipe de Ritter está trabalhando na simulação analógica quântica, onde é possível calcular e mapear um projeto molecular em uma conexão de qubits e resolver os modos ideais e todos os comportamentos de uma molécula, o que ele disse que é muito difícil quando você obtém cerca de 50 elétrons.

Jacobs discutiu a criptografia quântica, que envolve uma chave gerada de maneira a provar que ninguém estava ouvindo a transmissão. Ritter disse que Charlie Bennett, da IBM, teorizou uma técnica para "teletransportar" o qubit no link para outro qubit na máquina, mas disse que acha que essas técnicas estão dentro de alguns anos.

Jacobs apontou as diferenças entre a computação quântica de portas e o recozimento quântico, particularmente nas áreas de correção de erros, e observou que existe outro método, também chamado computação quântica topológica, na qual a Microsoft está trabalhando.

Um desafio interessante é escrever aplicativos para essas máquinas, que Ritter descreveu como enviando tons em uma frequência específica que faz com que os diferentes qubits ressoem e interajam com o tempo, o que faz com que o cálculo ocorra "quase como uma partitura musical". Ele observou que existem linguagens de nível superior, mas que muito trabalho ainda exige um teórico. Jacobs observou que existem diferentes níveis de linguagens quânticas de código aberto, como QASM e Quipper, ambas focadas amplamente no modelo de portas quânticas. Brownell observou que não houve tanta atividade no recozimento quântico, porque era mais controverso até recentemente, e disse que a D-Wave teve que fazer muito desse trabalho por si só e está trabalhando na mudança de idiomas para níveis mais altos. Dentro de cinco anos, ele espera que seja tão fácil de usar quanto uma GPU ou outro tipo de recurso clássico.