Hoje, a Amazon Web Services (AWS) anunciou o Ocelot, um novo chip de computação quântica que pode reduzir os custos de implementação de correção quântica de erros em até 90%, em comparação com as abordagens atuais. Desenvolvido pela equipe do AWS Center for Quantum Computing no California Institute of Technology, o Ocelot representa um avanço na busca pela construção de computadores quânticos tolerantes a falhas, capazes de resolver problemas de importância comercial e científica que estão além do alcance dos computadores convencionais de hoje.
A AWS usou um design inovador para a arquitetura do Ocelot, construindo a correção de erros do zero e usando o 'cat qubit'. Os cat qubits — nomeados 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 o Ocelot, os pesquisadores da AWS combinaram, pela primeira vez, a tecnologia cat qubit e componentes adicionais de correção quântica de erros 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 ao repensar fundamentalmente os componentes de hardware, pois isso pode ter um impacto significativo no custo, desempenho e até mesmo 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 bloco de construção certo para escalar é crítico, e o anúncio de hoje representa um passo importante no desenvolvimento de meios eficientes para escalar para computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas.
“Com os recentes avanços na pesquisa quântica, não é mais uma questão de se, mas quando computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas estarão disponíveis para aplicações do mundo real. Ocelot é um passo importante nessa jornada”, disse Oskar Painter, diretor de Quantum Hardware da AWS. “No futuro, chips quânticos construídos de acordo com a arquitetura Ocelot podem custar apenas um quinto das abordagens atuais, devido ao número drasticamente reduzido de recursos necessários para correção de erros. Concretamente, acreditamos que isso acelerará nosso cronograma 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 o Ocelot no site da Amazon Science .
O maior desafio da computação quântica
Um dos maiores desafios com computadores quânticos é que eles são incrivelmente sensíveis às menores mudanças, ou "ruído" em seu ambiente. Vibrações, calor, interferência eletromagnética de celulares e redes Wi-Fi, ou mesmo raios cósmicos e radiação do espaço sideral, podem tirar qubits de seu estado quântico, causando erros na computação quântica que está sendo realizada. Isso historicamente tornou extremamente desafiador construir computadores quânticos que podem executar cálculos confiáveis e sem erros de qualquer complexidade significativa. "O maior desafio não é apenas construir mais qubits", disse Painter. "É fazê-los funcionar de forma confiável."
Para resolver esse problema, os computadores quânticos dependem da 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 a correção de erros conforme 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 abordar os problemas atuais associados à correção de erros quânticos, pesquisadores da AWS desenvolveram o Ocelot. O Ocelot foi projetado do zero com correção de erros "integrada". "Observamos como outros estavam abordando a correção de erros quânticos e decidimos seguir um caminho diferente", disse Painter. "Não pegamos uma arquitetura existente e tentamos incorporar a correção de erros depois. Selecionamos nosso qubit e arquitetura com correção de erros quânticos como o principal requisito. Acreditamos que, se vamos fazer computadores quânticos práticos, a correção de erros quânticos precisa vir primeiro." Na verdade, de acordo com Painter, sua equipe estima que escalar o Ocelot para um "computador quântico completo, capaz de impacto social transformador, exigiriatão pouco quanto 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 a diferença entre precisar de um ponto de inspeção para capturar 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 de fabricação geral aprimorado. Ao reduzir a quantidade de recursos necessários por meio de abordagens como a do Ocelot, os computadores quânticos podem ser construídos menores, mais confiáveis e com menor custo. Tudo isso acelera o caminho para aplicar a computação quântica a futuras aplicações no mundo real, como descoberta e desenvolvimento mais rápidos de medicamentos, a produção de novos materiais, a capacidade de fazer previsões mais precisas sobre estratégias de risco e investimento em mercados financeiros e muito mais.
Transformando ficção científica em 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 pesquisa quântica e refinando sua abordagem. Da mesma forma que levou muitos anos de desenvolvimento e aprendizados de execução de sistemas x86 (uma arquitetura de computador amplamente usada para unidades de processamento central) de forma confiável e segura em escala para transformar o Graviton em um dos principais chips na nuvem, a AWS está adotando uma abordagem semelhante para a computação quântica. "Estamos apenas começando e acreditamos que temos vários outros estágios de escala para passar", disse Painter. "É um problema muito difícil de resolver, e precisaremos continuar investindo em pesquisa básica, enquanto permanecemos conectados e aprendemos com o trabalho importante que está sendo feito na academia. Agora, nossa tarefa é continuar inovando em toda a pilha de computação quântica, continuar examinando se estamos usando a arquitetura certa e incorporar esses aprendizados em nossos esforços de engenharia. É um volante de melhoria e escala 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 hardware 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
- Ocelot é um protótipo de chip de computação quântica, projetado para testar a eficácia da arquitetura de correção quântica de erros da AWS.
- Consiste em dois microchips de silício integrados. Cada chip tem uma área de aproximadamente 1 cm 2 . Eles são ligados um em cima do outro em uma pilha de chips eletricamente conectada.
- Na superfície de cada microchip de silício há 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 cat qubits armazenam os estados quânticos usados para computação. Para isso, eles dependem de componentes chamados osciladores, que geram um sinal elétrico repetitivo com temporização estável.
- Os osciladores de alta qualidade da Ocelot são feitos de uma fina película de material supercondutor chamado Tantalum. Cientistas de materiais da AWS desenvolveram uma maneira específica de processar Tantalum 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 mais básica de informação. 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 precisamente cronometrados e ajustados 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 realizado em muitos qubits, permite que um computador quântico resolva alguns problemas importantes exponencialmente mais rápido do que um computador clássico jamais conseguiria.
Fonte: aboutamazon
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