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A Honeywell colocará computadores quânticos em íons capturados na nuvem quântica da Microsoft

Por muitos anos, os cientistas vêm desenvolvendo vários sistemas nos quais algoritmos quânticos poderiam ser executados. A maioria deles tem uma ou duas vantagens - facilidade de manuseio ou capacidade de manter sua condição por mais tempo que outras - no entanto, não há outras qualidades positivas, o que impede que se tornem soluções práticas para cálculos. No entanto, nos últimos anos, algumas empresas descobriram como manipular um número significativo de qubits de estado sólido - os chamados transmons . Como a tecnologia para produzir transmons é semelhante à produção de chips convencionais, muitos players no mercado emergente - incluindo Google, IBM e Rigetti - optaram por transmons.

No entanto, os transmons não são perfeitos. Eles exigem temperaturas extremamente baixas, baixa variabilidade de dispositivo para dispositivo e mantêm sua condição bem, mas não perfeitamente. Muitos especialistas neste campo acreditam que outra tecnologia ainda tem uma chance de superar os transmons.

E agora, uma empresa nova no mercado de computação quântica também está apostando nisso. A Honeywell, uma empresa mais conhecida como fornecedora do Departamento de Defesa, anunciou a criação de um computador quântico baseado na tecnologia alternativa das "armadilhas de íons" e, este ano, dará acesso aos seus computadores através do serviço de nuvem do Microsoft Azure. A empresa também afirma que, de acordo com algumas estimativas, este é o computador quântico mais poderoso criado até o momento, no entanto, essa declaração deve ser tomada com muito cuidado.

Preso

Os qubits de transição funcionam quando a corrente circula em um loop de um fio supercondutor conectado a um ressonador, o que torna possível controlar e ler o estado atual. No entanto, como o fio supercondutor e o ressonador devem ser fabricados na produção, isso pode levar ao aparecimento de pequenas diferenças entre os qubits individuais. Além disso, todo esse ferro deve ser mantido a uma temperatura extremamente baixa, apenas um pouco acima do zero absoluto, a fim de manter esses objetos relativamente grandes dentro de seu estado quântico principal.

Os íons capturados oferecem uma oportunidade de contornar alguns desses problemas. O qubit em si é formado a partir de um pequeno número de átomos - no caso da Honeywell, a partir de dois. O presidente de soluções quânticas da Honeywell, Tony Attley, enfatiza que esse fato elimina os problemas de produção, pois cada dispositivo tem as mesmas propriedades que o átomo usado (neste caso, o itérbio). "Cada qubit começa com um ideal", disse Attley. "Qualquer erro cometido vem da infraestrutura circundante."

Graças à experiência da Honeywell na fabricação e integração dessa infraestrutura, os engenheiros da empresa estão em uma posição ideal para minimizar esse ruído. Além disso, esses pequenos grupos de átomos podem ser resfriados usando lasers. Embora a temperatura ambiente deva ser mantida muito baixa, ela não precisa atingir as temperaturas extremas necessárias para o transmon.

No caso da Honeywell, os átomos de itérbio não eram tão fáceis de esfriar com os lasers, então a empresa adicionou alguns átomos de bário ao sistema e os esfriou com um laser. Um cluster de quatro íons é fácil de resfriar e controlar, e é suficiente para manter o ambiente a uma temperatura de 12 K. Embora seja necessário hélio líquido para isso, ele não requer o sofisticado equipamento de resfriamento por liquefação necessário para o ferro do Google e IBM.

Como os íons são carregados, eles podem ser movidos dentro do dispositivo simplesmente alterando os campos elétricos locais usando 200 eletrodos embutidos no dispositivo. O estado dos elétrons nos íons pode ser controlado usando lasers com um determinado comprimento de onda, capazes de colocar elétrons em uma superposição com potenciais estados de energia. O emaranhamento e várias operações lógicas podem ser realizadas simplesmente movendo dois íons mais próximos um do outro e usando lasers trabalhando com os dois simultaneamente. A leitura é realizada pela estimulação de íons por outro laser, forçando os íons a emitir um fóton, a partir do qual é possível julgar seu estado.

Dispositivo Honeywell

Um dispositivo da Honeywell pode ser considerado uma linha de dispositivos individuais. Os íons vêm de uma extremidade, que se move ao longo de seções sucessivas, onde podem ser adiados para armazenamento ou irradiados com lasers que manipulam qubits. Operações lógicas (o equivalente quântico de AND e NOT) podem ser executadas simplesmente colocando dois íons lado a lado e executando uma operação neles simultaneamente. Além disso, agrupamentos de quatro íons (dois itérbios, dois bários) podem ser divididos em duas partes, ou dois agrupamentos de dois íons podem ser combinados.

O dispositivo sobre o qual a Honeywell fala hoje alinha quatro qubits na mesma linha dessas etapas de armazenamento e manuseio. No entanto, o diagrama do dispositivo também mostra duas linhas adicionais dos estágios de armazenamento e manuseio, indo de ambos os lados da linha usada nas experiências iniciais. Isso é consistente com o que Attley disse: A Honeywell acredita que o dispositivo pode ser dimensionado rapidamente e que qubits adicionais podem ser adicionados anualmente sem alterar a arquitetura em um nível fundamental. Portanto, embora quatro qubits não sejam suficientes em comparação com o que foi obtido em dispositivos com transmons, a empresa acredita que pode rapidamente preencher essa lacuna.

São necessários muitos lasers para controlar o estado dos qubits

Um dos aspectos interessantes desse esquema, que, segundo Attley, está ausente em outros sistemas comerciais existentes, é a capacidade de medir qubits individualmente, sem perturbar outras partes do sistema. (Tecnicamente, isso é realizado usando a operação com o nome fantástico CNOT - ventilador de teletransporte quântico). Ele permite que o computador execute o equivalente à ramificação de FI, alterando o algoritmo com base nos resultados da medição de um único qubit. Após a medição, o qubit também pode ser restaurado ao seu estado original e reutilizado para cálculos adicionais.

Os componentes individuais do sistema se comportam perfeitamente. Um problema em potencial é "erros de preparação e medição de estado", que foram abreviados para SPAM [erros de preparação e medição de estado]. Nesse caso, pesquisadores da Honeywell descobriram que o SPAM é dominado por erros de medição, mas eles ocorrem em menos de 1% dos casos. Para portões de um qubit, os erros ocorrem em uma ordem de magnitude com menos frequência, para portões de dois qubit, em um nível semelhante. E tudo isso é muito menor do que os indicadores típicos de transmon.

Sobre esse indicador de desempenho

A Honeywell apresenta isso como o “computador quântico mais poderoso do mundo”, no entanto, a correção da afirmação depende muito dos esquemas de medição de velocidade usados. A Honeywell usa uma medida definida pela IBM e a chama de "volume quântico". Vamos citar parte da análise do volume quântico feito por Chris Lee, já que ele descreve bem sua conexão com o computador da Honeywell:

como os portões quânticos sempre podem dar um erro, há um número máximo de operações que podem ser executadas antes que não seja razoável considerar o estado do qubit verdadeiro. Essa quantidade, multiplicada pelo número de qubits, fornece a profundidade do circuito. Se usado honestamente, descreve com bastante precisão o que um computador quântico é capaz.

O problema com a profundidade é que é possível manter o número total de qubits constante (e pequeno), reduzindo a porcentagem de erros a valores muito pequenos. Como resultado, você obtém uma enorme profundidade, mas, ao mesmo tempo, realiza apenas cálculos que se encaixam no número de qubits que você possui. Um computador quântico de dois qubit de grande profundidade ainda será inútil.

Acontece que o objetivo da avaliação é expressar as capacidades computacionais do indicador, que inclui o número de qubits e a profundidade do circuito. Para um volume específico do algoritmo e do problema, este será o número mínimo de qubits necessários para os cálculos. E, dependendo da conexão dos qubits entre si, para a implementação do algoritmo, será necessário um certo número de operações. Os pesquisadores expressam esse número comparando o número máximo de qubits envolvidos nos cálculos com a profundidade do circuito e calculando o quadrado mínimo desses dois indicadores. Portanto, o volume quântico máximo possível será simplesmente o número de qubits ao quadrado.

Como observado acima, a Honeywell reporta uma taxa de erro extremamente baixa, o que significa que todo cálculo executado em quatro qubits de seu computador provavelmente não conterá erros. E como os íons podem ser movidos para dentro do dispositivo à vontade, eles podem ser arbitrariamente conectados entre si. Acontece que o volume quântico é igual ao número de qubits ao quadrado. Isso difere do desempenho do equipamento usado pelo Google e IBM, onde 10 vezes mais qubits, mas muito mais erros, e qubits podem ser conectados apenas a um pequeno número de vizinhos.

Como resultado, para que uma máquina da Honeywell possa acompanhar as máquinas de seus rivais em termos de volume quântico, não precisa adicionar muitos qubits adicionais. A estrutura da máquina que ela descreve hoje definitivamente permite adicionar qubits a ela. Como resultado, a empresa reivindica um volume quântico de 64, o que significa oito qubits, e há todos os motivos para acreditar.

No entanto, se a IBM já tiver introduzido um computador contendo quase 64 qubits reais e o Google em breve seguir o exemplo, o clima produzirá apenas oito qubits? A resposta, como sempre, é ambígua. Alguns algoritmos serão altamente dependentes da conectividade dos qubits. E, embora possam ser lançados em máquinas maiores com menos conectividade, isso exigirá que um número maior de qubits sirva como links de conexão, organizando conectividade equivalente e cada um deles seja potencialmente capaz de introduzir um erro nos cálculos. A alta conectividade da máquina Honeywell pode compensar a necessidade de operações adicionais, e as operações ainda não são a principal fonte de erros. Armadilha de íons em close-up; várias zonas para armazenar e manipular qubits são visíveis

E também há o problema de dimensionamento. Attley disse que a empresa deve poder aumentar seu volume quântico anualmente em uma ordem de magnitude nos próximos cinco anos, o que exigiria a adição de 3-4 qubits por ano. Isso significa que, mesmo após cinco anos, o computador terá cerca de 30 qubits - metade do desempenho atual dos concorrentes. Enquanto isso, Google e IBM estão trabalhando para reduzir erros e adicionar algumas dúzias de qubits a suas máquinas a cada poucos anos.

Se os planos de todas as empresas se realizarem, em alguns anos a situação se tornará muito interessante. A Honeywell terá uma vantagem significativa em volume quântico, e seus concorrentes com ferro em transmons terão uma ordem de magnitude mais qubits. Enquanto isso, as equipes que usam transmons pretendem criar computadores quânticos com correção de erros, o que exigirá milhares de qubits - o que significa que os pesquisadores esperam que em algum momento eles aprendam a adicionar centenas de qubits a cada nova geração de chips.

Como não está claro quando, de acordo com as empresas, esse crescimento de qubits deve começar, não está claro como a saída da Honeywell pode mudar o cenário competitivo.

O que teremos até agora

A Honeywell, uma empresa cujas divisões fazem de tudo, de artigos esportivos a contratos com militares, é definitivamente um concorrente incomum em um mercado dominado por uma mistura de startups e empresas de computação tradicionais. No entanto, a empresa contou uma história consistente de sua entrada no mercado: como parte de seu trabalho de fabricação, a Honeywell desenvolveu muitos componentes de computador em armadilhas de íons - como fotônica, criogênica, sistemas de vácuo - para outros fins. E um grupo de cientistas da empresa disse que o potencial dessa área é grande o suficiente para valer a pena tentar se desenvolver. E como a Honeywell é uma grande empresa, conseguiu recrutar um grupo bastante forte de pessoas apaixonadas pelo desenvolvimento deste projeto.

Como outras empresas nesse campo, a Honeywell determinou que a maioria das empresas não deseja criar sua própria infraestrutura na qual seu sistema de resfriamento por hélio líquido poderia operar. Portanto, a Honeywell fornecerá acesso a seus computadores quânticos por meio da nuvem. Ela também concordou com a Microsoft para que o sistema possa ser acessado por meio do serviço do Azure.

Para escrever os programas usados no trabalho atual, os pesquisadores da Honeywell adaptaram o Qiskitda IBM, uma ferramenta de código aberto que permite descrever algoritmos quânticos em um formato que não esteja vinculado a um hardware específico e, em seguida, emitir comandos reais para executar o programa em um hardware específico (algo como um compilador de plataforma cruzada). A empresa espera, assim, tirar proveito das soluções especializadas existentes. Também pode significar que as empresas serão capazes de desenvolver um conjunto de algoritmos quânticos e executá-los em qualquer sistema com as propriedades necessárias - alta conectividade ou um grande número de qubits - para obter o desempenho necessário.

Amigos e concorrentes

Talvez devido à introdução de uma arquitetura completamente nova, a empresa combinou o anúncio de sua tecnologia com duas contribuições para empresas que já desenvolvem algoritmos quânticos. Ela também anunciou que o gigante financeiro JPMorgan Chase trabalhará com a Honeywell para explorar as possibilidades de usar seu sistema para desenvolver algoritmos financeiros. Isso não significa que o sistema esteja completamente pronto para uso; Já conversamos com pessoas do JPMorgan Chase e eles disseram que estavam tentando garantir que a empresa estivesse totalmente pronta para computadores quânticos práticos.

Tudo isso testemunha a favor do fato de que a Honeywell leva a sério seus desenvolvimentos e espera se tornar um dos principais rivais no espaço da computação quântica. E se suas previsões para o futuro se tornarem realidade, é provável que sim.

O observador pode ficar tentado a comparar a situação com a rivalidade das arquiteturas tradicionais de computadores, nas quais o x86 e o ARM estão lutando ativamente hoje. No entanto, essas arquiteturas diferentes são feitas usando os mesmos métodos e funcionam com os mesmos componentes. No caso descrito, duas arquiteturas concorrentes são baseadas em sistemas fisicamente completamente diferentes, nos quais apenas algumas regras de trabalho coincidem. Este é um conjunto de condições completamente diferente e muito mais interessante.