Apesar dos desenvolvimentos dos últimos anos, os computadores quânticos ainda não são capazes de ir além de alguns cálculos experimentais, limitados, mas isso pode estar a mudar. E para tornar mais claro o potencial de transformação, a IBM partilhou hoje o seu roadmap de desenvolvimento, que em 2023 prevê a concretização do IBM Quantum Condor, com um processador de 1.121 qubit, um passo importante para a criação de um computador quântico full-stack, disponível na cloud, que qualquer pessoa no mundo possa programar.

"Temos o objetivo final de aceder a um domínio além do que é possível em computadores clássicos: queremos construir um computador quântico em grande escala", explica Jay Gambetta, vice presidente da IBM Quantum, sublinhando que  "o computador quântico do futuro vai preencher as lacunas onde os computadores clássicos vacilam, controlando o comportamento dos átomos para executar aplicações revolucionários em todos os setores, gerando materiais que mudam o mundo ou transformando a maneira como fazemos negócios".

E como se concretiza essa meta? A equipa da IBM está a desenvolver um conjunto de processadores escaláveis até ultrapassar os 1.000 qubits com o IBM Quantum Condor, mas os desenvolvimentos passam também pela criação de hardware para arrefecer os processadores, com uma dimensão maior de refrigeradores do que o que está disponível comercialmente.

Jay Gambetta explicou a visão de futuro da IBM "onde ligações quânticas ligam estruturas de refrigeradores, cada um com um milhão de qubit, como a intranet liga processadores de supercomputadores, criando um computador quântico paralelo massivo capaz de mudar o mundo", descreve.

"Conhecer o caminho em frente não reduz os obstáculos: enfrentamos alguns dos maiores desafios da história do progresso tecnológico. Mas com a nossa visão clara, um computador quântico resistente a falhas agora parece uma meta alcançável na próxima década", sublinha.

A importância da computação quântica

A computação quântica é vista como a área de desenvolvimento que tem potencial para resolver alguns dos maiores desafios do planeta através de uma capacidade computacional sem precedentes, e que ultrapassa largamente os limites da computação tradicional. O tema não é fácil de entender e mistura a física e a engenharia, usando a matemática de partículas elementares para criar processadores que executam circuitos quânticos em vez dos circuitos lógicos de computadores digitais.

Na prática os computadores quânticos usam partículas quânticas reais, átomos artificiais ou propriedades coletivas de partículas quânticas como unidades de processamento e aproveitam o comportamento da física quântica, trazendo novos conceitos aos métodos tradicionais de programação e usando a superposição, emaranhamento e interferência quântica para cálculo de simulações complexas de forma muito mais rápida. Mas ainda há desafios a ultrapassar, nomeadamente na capacidade de controlar grandes sistemas de qubits durante o tempo suficiente, e com a minimização de erros, para executar os complexos circuitos quânticos que são exigidos pelas aplicações.

Em 2019, em entrevista ao SAPO TEK, Lars Montelius, diretor geral do INL - Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, não teve dúvidas em afirmar que "estamos perante o início de uma nova revolução na área da computação quântica", e sublinhou que "a computação quântica é mais importante do que a invenção da World Wide Web e do que a própria Internet, uma vez que tem um maior impacto, que demorará algum tempo a surgir, naturalmente". Esta é uma área onde o INL também está a apostar, como grande parte das instituições de investigação a nível mundial.

A IBM tem vindo a desenvolver a investigação em computação quântica nos seus laboratórios em Nova Iorque e em Zurique, mas no ano passado a Google surpreendeu a comunidade académica com o anúncio de que tinha alcançado a "supremacia quântica", com uma demonstração técnica da superioridade de um computador quântico sobre um computador clássico, mas o feito acabou por ser contestado, com a IBM a afirmar que o supercomputador construído no Oak Ridge National Laboratory, o Summit, poderia ter alcançado um resultado mais rápido do que a equipa do Google.

O mapa da IBM até aos 1.000 qubit

Desde 2000 que a IBM está a trabalhar com qubits supercondutores, aumentando os tempos de coerência e diminuindo os erros que permitiram criar dispositivos multi-qubit no início de 2010. O computador quântico tem sido uma peça chave para a inovação da IBM, e já esteve em exposição em Lisboa no Web Summit de 2018, mas a aplicação prática ainda é limitada.

O desenvolvimento da investigação, desde os qubit aos compiladores, permitiram à empresa colocar o sistema na cloud em 2016, para poder ser usado por investigadores, e atualmente são mais de duas dezenas de sistemas estáveis que podem ser usados pelos clientes e investigadores, tirando partido dos processadores IBM Quantum Canary de 5 qubit e IBM Quantum Falcon de 27 qubit, que recentemente consegui executar um circuito quântico longo o suficiente para declarar um volume quântico de 64.

Roadmap para IBM Quantum Condor
Roadmap para IBM Quantum Condor créditos: IBM Quantum

Mas para além destes sistemas de 2 qubit, a IBM está a investir para alargar os sistemas de maior dimensão. Este mês lançou discretamente o IBM Quantum Hummingbird de 65 qubit para membros da rede IBM Q Network, que traz melhorias ao combinamos sinais de leitura de oito qubits em um, reduzindo o tempo de latência de processamento de sinal.

Em 2021 a empresa pretende estrear o processador IBM Quantum Eagle de 127 qubit que trazem upgrades na capacidade de disseminar uma grande densidade de sinais de controle clássicos, protegendo os qubits separadamente para manter tempos elevados de coerência. As melhorias fazem-se sentir também no layout de qubit que permite um código de correção de erros mais eficiente.

"Com o processador Eagle, também apresentaremos recursos de computação clássica simultânea em tempo real que permitirão a execução de uma família mais ampla de circuitos e códigos quânticos", explica Jay Gambetta, que afirma que os princípios de design criados para os processadores mais pequenos vão colocar a IBM em condições de lançar um sistema IBM Quantum Osprey de 433 qubit em 2022.

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Os controles mais eficientes e densos e uma infraestrutura criogénica garantirão que a ampliação do número de processadores não sacrifique o desempenho de qubits individuais, ou que introduzem outras fontes de ruído ou ocupam uma pegada muito grande, indica o vice presidente da IBM Quantum.

O marco de 1.121 qubit a integrar no IBM Quantum Condor é a soma de toda a aprendizagem com os passos anteriores e a capacidade de continuar a reduzir os erros críticos de dois qubit para que possamos executar circuitos quânticos mais longos.

"Pensamos no Condor como um ponto de inflexão, um marco que marca nossa capacidade de implementar correção de erros e aumentar a escala de nossos dispositivos, ao mesmo tempo em que é complexo o suficiente para explorar potenciais vantagens quânticas - problemas que podemos resolver com mais eficiência em um computador quântico do que nos melhores supercomputadores do mundo", afirma.

Mas chegar ao milhão de qubit está nos planos da equipa, e o desenvolvimento do enorme "super frigorifico" Goldeneye foi pensado para conseguir arrefecer essa quantidade enorme de qubit. E isso é mais fácil de perceber para quem já viu o computador quântico com 2 qubit, onde a estrutura de arrefecimento ocupa mais de 99% do espaço.

"A nossa visão é a de um futuro onde ligações quânticas ligam estruturas de refrigeradores, cada um com um milhão de qubit, como a intranet liga processadores de supercomputadores, criando um computador quântico paralelo massivo capaz de mudar o mundo", descreve Jay Gambetta, afirmando que o facto de ter detalhado um mapa estratégico não o faz acontecer.

E este é um objetivo alcançável na próxima década, explica, dizendo que "conhecer o caminho em frente não reduz os obstáculos: enfrentamos alguns dos maiores desafios da história do progresso tecnológico".

Nota da Redação: A notícia foi atualizada após a conferência. Última atualização 17h16