6, Onde se resume computação quântica, mecânica quântica, processadores quânticos ¶
e se descreve a situação de 2018. ¶
A computação quântica voltou a ter, nos últimos anos, uma forte presença em termos de investimento por parte de empresas e governos. Não sendo algo novo tem neste momento um período de intensa actividade que volta a colocar questões importantes em termos da forma como a computação quântica pode alterar de forma considerável práticas, soluções e realidades existentes. Este trabalho faz um breve enquadramento histórico da computação quântica, introduz alguns dos conceitos fundamentais e descreve qual a realidade das ofertas comerciais, investigação e desafios existentes.
Este texto é adaptado de uma análise feita no âmbito curricular de Física (FCUL), ajustado e resumido para este meio. Esta análise foi feita em 2018, o que para algo como computação quântica é bastante tempo; ainda assim, contém alguma base invariável que pode ter interesse como introdução, bem como cristalizar o estado da arte da altura.
6.1, Introdução ¶
A computação quântica está a viver uma nova fase de interesse e actividade; Aram Harrow diz claramente que «agora é a altura para se estudar computação quântica» e apresenta-a não como um tema especializado e com interesse para o desenvolvimento de dispositivos em concreto mas como uma nova forma de olhar o mundo que nos rodeia✠ HARROW, Aram, Why now is the right time to study quantum computing, 2012. 194.
Neste trabalho iremos fazer um ponto de situação relativo às ofertas de computação quântica existentes, quais as suas características, a sua história, de que forma é que estão disponíveis e que tipo de funcionalidades põe ao dispor do utilizador, servindo sobretudo como uma referência actualizada em termos de produtos. A linha de orientação seguida foi a de considerar soluções que pelo menos em parte contenham algum tipo de dispositivo quântico físico: existem mais ofertas unicamente baseadas em simulações.
6.2, Enquadramento histórico ¶
Falar em computação quântica obriga necessariamente a que se recue à viragem para o século XX e ao nascimento da mecânica quântica: não há, logicamente, computação quântica sem mecânica quântica.
No início do século XX Niels Bohr
Niels
Bohr, c. 1922 (Wikimedia Commons), inspirado no trabalho que realizou no laboratório em
Manchester, estuda o espectro do átomo de hidrogénio e produz algumas das ideias principais que irão
constituir os postulados da física quântica: a existência de um conjunto discreto de estados com
energia constante, a participação de dois estados estacionários na transição espectroscópica e a
correspondência, para grande quantidade de observações, entre os resultados da mecânica quântica e
clássica. Esta visão inicial é substancialmente melhorada pelo aparecimento da mecânica de matrizes
(Heisenberg) que fornece uma importante contribuição para a superação do modelo atómico de
Rutherford-Bohr e que tem implicações muito directas com a formulação da computação quântica; este
modelo veio a provar ser equivalente à equação de Schrödinger relativa à dualidade
onda-partícula.✠ HAMEKA, Hendrik F., Quantum Mechanics: A
Conceptual Approach, 2004.
195
A mecânica quântica é um quadro de conhecimento matemático que permite a produção de teorias físicas✠ NIELSEN, Michael A., CHUANG, Isaac L., Quantum Computation and Quantum Information, 2010. 196; é nesse quadro e nesses axiomas que se vão colocar várias questões emergentes no período do pós-guerra.
Com a maturidade dos sistemas computacionais e o crescente interesse na sua utilização e no estudo dos
limites do seu crescimento surge a necessidade de se lidar com as implicações físicas: os limites da
computação e a sua relação com limites do mundo físico, e quais as limitações e potencialidades dos
sistemas de computação✠ HEY, Tony (ed.), Feynman and Computation,
1999.
197. Alan Turing
Alan Turing, 1928 (Wikimedia Commons) desenvolveu o modelo abstrato que define o que consideramos um computador e Alonzo
Church o cálculo-λ; da interacção destas e outras investigações nasce a tese Church-Turing: qualquer
função que possa ser calculada pode-o ser por uma Máquina Universal de Turing. Nas décadas de setenta e
oitenta do século passado Bennett, Tofolli e Fredkin demonstram a existência de máquinas de Turing e
portas reversíveis e Benioff que um sistema quântico pode simular um sistema de computação clássico e
assim ser no mínimo tão capaz em termos computacionais✠ GRUSKA, Jozef,
Quantum Computing, 1999.
198. É neste contexto que se deve situar o conhecido Workshop on
Physics and Computation onde Richard Feynman sugere que um computador quântico deverá ser capaz de
simular sistemas quânticos — como o mundo físico — melhor que um sistema clássico.
Como ficaria registado, e nas palavras de Feynman
Richard Feynman, Nobel 1965 (Wikimedia Commons), «...nature isn’t classical, dammit, and if you want
to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical, and by golly it’s a wonderful
problem, because it doesn’t look so easy...»✠ TRABESINGER, Andreas,
Quantum simulation, 2012.
199: para simular (e, logo, compreender) a natureza é necessário, ou
pelo menos bastante desejável, que o sistema de computação utilize os mesmos axiomas, sendo que a
própria tese de Church-Turing tem com Deutsch uma leitura física que pressupõe a existência de um
computador quântico universal✠ DEUTSCH, David, Quantum theory,
the Church-Turing principle and the universal quantum computer, 1985.
200.
6.3, Alguns conceitos fundamentais ¶
Como referido os princípios da computação quântica derivam da mecânica quântica; não seria possível num trabalho desta dimensão ir para além de uma descrição muito breve dos conceitos fundamentais da computação quântica.✠ Em particular porque o foco é na revisão e descrição das ofertas de computação quântica actuais, as suas características e a forma como são utilizadas. 201
Na mecânica quântica toda a informação sobre um sistema físico é representada por um estado quântico, um vector num espaço de Hilbert. Usando a notação de Bra-ket✠ Ou notação de Dirac. 202 um qualquer sistema arbitrário pode ser representado como:
|Ψ⟩ = Σ(j=0 até N-1) c_j |j⟩
A equação fundamental para o estado quântico é a equação de Schrödinger:
iℏ ∂|Ψ(t)⟩/∂t = Ĥ(t) |Ψ(t)⟩
onde o operador Ĥ(t) é o Hamiltoniano que descreve as interacções de energia do sistema.✠ HUMBLE, Travis S., Quantum Computing Circuits and Devices, 2018. 203
Um qubit — quantum bit ou bit quântico — é a unidade de informação fundamental em computação quântica e pode ser pensado como um sistema de dois níveis (por exemplo, polarizações verticais e horizontais de um fotão) e é matematicamente representado como a combinação linear:✠ YING, Mingsheng, Quantum computation, quantum theory and AI, 2010. 204
|ψ⟩ = c₀|0⟩ + c₁|1⟩
Esfera de Bloch: representação esférica
de um qubit onde os polos definem as bases ortonormais |0⟩ e |1⟩. As coordenadas de |Ψ⟩ têm
coeficientes c₀ = cos(θ/2) e c₁ = e^(iφ) sin(θ/2). (Wikimedia Commons)
A sobreposição — as partículas podem estar em múltiplos estados possíveis enquanto não observadas — é um conceito fundamental da mecânica quântica e na representação esférica do qubit (chamada esfera de Bloch) um estado arbitrário |Ψ⟩ fica sempre na superfície da esfera.
Com múltiplos qubits a dimensão do espaço de Hilbert é N = 2ⁿ, e existem estados quânticos compostos que não podem ser expressos como produtos de estados individuais — são os estados entrelaçados e a base do entrelaçamento quântico✠ HORODECKI, Ryszard et al., Quantum entanglement, 2009. 205 (quantum entanglement) presente neste exemplo de um sistema de 2 qubits:
|Ψ⟩ = (1/√2)(|0,0⟩ + |1,1⟩)
Cada elemento individual produz um resultado de 0 ou 1; a sua união não produz como resultado uma distribuição uniforme de quatro possíveis resultados.✠ Existe uma diferença essencial entre uma visão probabilística e o exemplo quântico: os estados probabilísticos quânticos não descrevem o nosso conhecimento do sistema mas a realidade física do mesmo — não existe uma teoria de variáveis ocultas locais para a mecânica quântica. RIGETTI INC., Introduction to Quantum Computing (pyQuil documentation). 206 A medição destes estados quânticos está sempre correlacionada de forma a que os resultados são (0,0) ou (1,1), e é a existência desta correlação que afecta as estatísticas de medição que é chamada de entrelaçamento e que produz efeitos que violam as relações locais preditas pela mecânica clássica.
Geração de pares de fotões entrelaçados por conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC). Cada fotão do par fica em sobreposição e as suas medições estão sempre correlacionadas. (Wikimedia Commons)
Um outro princípio é o da não clonagem, consequência da linearidade da mecânica quântica e que determina que não é possível copiar integralmente um estado quântico sem perda de informação.
A operação de um computador quântico faz-se através da aplicação de campos exteriores de forma a controlar Ĥ(t). Para os sistemas quânticos ditos universais este controlo é feito através de interacções discretas sobre registos quânticos, conhecidas como portas. O modelo de interacção contínua é o modelo adiabático implementado pela D-Wave e descrito na secção sobre esse fabricante.
6.4, A situação actual: dispositivos e plataformas quânticas ¶
O aumento de interesse por computação quântica na última década multiplicou as ofertas existentes: se a D-Wave foi durante muito tempo a única a fornecer sistemas quânticos (que como veremos têm diferenças relativamente aos restantes, aliás já referidas quando descrito o modelo de interacção contínua) e a IBM co-organizou com o MIT a conhecida conferência de 1981 que é considerada uma das datas fundamentais da computação quântica✠ HEY, Tony (ed.), Feynman and Computation, 1999. 207, existem outras que quer pelo seu peso noutros domínios, quer pelo foco que têm em computação quântica diversificaram substancialmente a oferta.
6.4.1, IBM ¶
A IBM disponibiliza neste momento seis dispositivos de computação quântica, um dos quais simulado✠ IBM, IBM Quantum Experience. 208; dois dos dispositivos são de 5 qubits e um de 16 qubits, todos eles disponíveis para utilização através do QISKit✠ QISKit — Quantum Information Science Kit. 209. Existem também dois dispositivos de 20 qubits cuja utilização é possível mas reservada a membros da IBM Q Network, uma rede de parceiros de investigação para o avanço da computação quântica✠ IBM, IBM Q Network. 210.
Crióstato do sistema IBM Q de 50 qubits.
O IBM Q foi o primeiro sistema de computação quântica de uso geral disponibilizado através da nuvem e sobre o qual é possível hoje proceder a experiências de computação quântica sobre dispositivos quânticos físicos (e não simulações de dispositivos quânticos)✠ HEBENSTREIT, M. et al., Compressed quantum computation using a remote five-qubit quantum computer, 2017. 211. É de salientar que se trata de um acesso generalizado e que reduziu de forma drástica a barreira à entrada: não só a rede IBM Q Network está aberta a unidades de ensino superior e de investigação✠ Em Portugal a primeira entidade — e única à data — a juntar-se a esta rede colaborativa foi a Universidade do Minho, através do Quanta Lab. 212 como a utilização dos dispositivos descritos pode ser feita a título individual por qualquer utilizador com acesso à Internet.
Os dispositivos são baseados em qubits transmon, isto é qubits supercondutores insensíveis a ruído de carga. O estado de coerência quântica é actualmente mantido por cerca de 100 µs✠ FERRARI, G. et al., Demonstration of envariance and parity learning on the IBM 16 qubit processor, 2018. 213✠ Mais especificamente a IBM refere tempos de coerência de 90 µs para o IBM Q de 20 qubits e níveis semelhantes de desempenho para o protótipo de 50 qubits. 214. Estes qubits são compostos de materiais como o nióbio e o alumínio e mantidos a uma temperatura de 15 mK de forma a não existir qualquer interacção temperatura ambiente ou ruído com os supercondutores; após vários dias de refrigeração os qubits atingem o equilíbrio no seu estado base: |0⟩.
Os processadores IBM QX2, QX4, QX3 e QX5 têm cada um a sua topologia de acoplamento própria, que define as ligações físicas possíveis entre qubits e que determina as restrições na aplicação de determinadas portas (nomeadamente as CNOT). Estas topologias são disponibilizadas como mapa de acoplamento✠ ZULEHNER, Alwin, An efficient methodology for mapping quantum circuits to the IBM QX architectures, 2017. 215 e determinam a forma como os circuitos quânticos têm de ser compilados para cada processador específico.
A composição de circuitos quânticos é feita por via de um interface gráfico (Compositor Quântico✠ IBM, Quantum Composer Experience. 216) e, em alternativa, directamente através de uma linguagem de representação intermédia de instruções quânticas, o OpenQASM✠ CROSS, Andrew W. et al., Open Quantum Assembly Language, 2017. 217. Esta composição pode ter como alvo um processador quântico simulado — e permitir dessa forma a colocação de portas de forma livre — ou um real, e nesse caso a topologia está definida a nível físico e existem limitações na forma como se podem utilizar determinadas portas.
Este circuitos quânticos (definidos por via de OpenQASM) são a base para a programação quântica que é, como referido, feita por via do Quantum Information Science Kit (QISKit), um conjunto de bibliotecas para a linguagem de programação Python que permite o desenvolvimento de programas através de três fases principais: Build, Compile e Run✠ GAMBETTA, Jay, Getting Started with QISKit. 218.
O processo de criação de um programa quântico nesta plataforma inicia-se com a criação de um
QuantumProgram para criar, modificar, compilar e executar um conjunto de circuitos quânticos,
onde cada QuantumCircuit tem um conjunto de registos de dados de tipo QuantumRegister ou
ClassicalRegister cujos métodos são utilizados para executar instruções que definem o circuito
(e que pode por fim gerar o código OpenQASM correspondente)✠ IBM Research,
Structure of the QISKit SDK.
219.
Se o QISKit é já por si uma forma de conseguir uma abstracção que torne a programação quântica mais directamente utilizável pelo utilizador✠ O «utilizador» assume sempre o papel de programador, mas a forma como a documentação está estruturada permite a que não sejam necessários conhecimentos de programação avançados. 220, mais recentemente foi disponibilizada uma biblioteca de algoritmos quânticos de uso geral, o QISKit ACQUA, sobre os quais são por sua vez construídas bibliotecas de uso mais específico: Química, Inteligência Artificial e Optimização são as presentes na versão inicial e destinam-se a simplificar a programação nestas áreas ao fornecer estruturas programáticas de alto-nível que encapsulem conceitos próprios de cada domínio✠ QISKit ACQUA — Algorithms and Circuits for Quantum Applications. 221.
Em termos de investigação estão presentes mais de 110 artigos na lista de produção científica da comunidade parte da IBM Quantum Network✠ IBM, IBM Q community. 222, sendo que os temas são razoavelmente amplos: a validação do hardware através da validação de que existe de facto entrelaçamento quântico✠ WANG, Y. et al., 16-qubit IBM universal quantum computer can be fully entangled, 2018. 223, métodos de expressar circuitos quânticos de forma eficiente e simulações quânticas do estado energético do deuterão✠ DUMITRESCU, E. F. et al., Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus, 2018. 224, o teste de hipóteses relativas à incerteza quântica e entrelaçamento quântico para a definição de limites absolutos da incerteza para qualquer dispositivo quântico✠ BERTA, M. et al., Entropic uncertainty and measurement reversibility, 2016. 225.
6.4.2, Rigetti ¶
A Rigetti Computing foi fundada por Chad Rigetti, físico que trabalhou no projecto de computação quântica da IBM✠ Rigetti Computing. 226 e que criou a Rigetti Inc. por considerar que existia espaço para uma empresa completamente dedicada à computação quântica e que pudesse, dessa forma, adoptar processos e construir uma cultura que não fosse influenciada por necessidades e objectivos de outras áreas✠ RIGETTI, Chad, a16z Podcast: Quantum Computing. 227; descrevendo-se como uma empresa de computação quântica full-stack posiciona-se em todas as áreas da produção e investigação em computação quântica.
A Rigetti tem na sua plataforma de desenvolvimento quântico Forest✠ Rigetti, Forest API. 228 a forma de acesso a computação quântica, em duas vertentes: mediante um simulador QVM (Quantum Virtual Machine) com até 26 qubits, ou com acesso aos processadores quânticos fabricados in house; estes são disponibilizados em dois modelos:
- Rigetti 8Q Agave:
8 qubits transmon supercondutores, onde são acoplados 4 qubits de frequência fixa com 4 qubits de frequência variável numa topologia em anel✠ OTTERBACH, J.S. et al., Unsupervised Machine Learning on a Hybrid Quantum Computer, 2017. 229.
- Rigetti 19Q Acorn:
20 qubits transmon supercondutores, onde são acoplados 10 qubits de frequência fixa com 10 qubits de frequência variável numa topologia em malha; devido a um defeito de fabrico o qubit 3 não é ajustável o que tem implicações em termos da operacionalidade da porta paramétrica com os seus vizinhos, razão pela qual é tratado como um processador de 19 qubits.
Rigetti 8Q: circuito supercondutor de 8 qubits.
Rigetti 19Q: circuito supercondutor de 19 qubits.
Ambos os processadores utilizam métodos de fabrico semelhante: wafer de silicone de elevada resistividade com utilização de TSVs (Through-Silicon-Vias) para melhor isolamento electromagnético✠ VAHIDPOUR, M. et al., Superconducting Through-Silicon Vias for Quantum Integrated Circuits, 2017. 230 e alumínio como supercondutor.
A plataforma Forest fornece uma API de acesso remoto aos dispositivos quânticos que é utilizável por
via de Quil, a linguagem de instruções quânticas criada e disponibilizada de forma aberta pela Rigetti
e que tem a característica de assumir de base um modelo híbrido quântico/clássico — i.e. tem a nível
de modelo de programação suporte de primeira ordem para interacção entre operações quânticas e clássicas
— e um ambiente de programação em Python (pyQuil) que permite programação a um nível mais
alto✠ SMITH, Robert S. et al., A Practical Quantum Instruction Set
Architecture, 2016.
231.
Física, química, materiais, medicina, neurociência e transporte são as grandes áreas identificadas como passíveis de avanços importantes por via da computação quântica. Um exemplo de aplicação é o projecto OpenFermion de simulação química quântica e que suporta Forest de forma nativa✠ McCLEAN, Jarrod R. et al., OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers, 2017. 232; também de referir no campo da inteligência artificial é o estudo da viabilidade de modelos híbridos quânticos/clássicos em cenários de machine learning e que apontam para vantagens reais na sua utilização✠ OTTERBACH, J.S. et al., Unsupervised Machine Learning on a Hybrid Quantum Computer, 2017. 233.
6.4.3, Microsoft ¶
A Microsoft aposta também na disponibilização de toolkits de computação quântica: a linguagem de programação Q# é uma linguagem multi-paradigma escalável que descreve a forma como as instruções são executadas em dispositivos quânticos✠ SOEKEN, Mathias et al., Programming Quantum Computers Using Design Automation, 2018. 234.
A estratégia da Microsoft passa por disponibilizar desde já um ambiente de desenvolvimento quântico integrado na sua oferta de computação em nuvem (Microsoft Azure) e suportado por um simulador quântico de até 30 qubits que corre localmente na estação de trabalho; esta abordagem de simulação local tem limitações em termos de capacidade de manter um desempenho aceitável à medida que se utilizam mais qubits e é complementada pela disponibilização de um simulador quântico na nuvem para quando é necessário ir para além dos 30 qubits✠ Microsoft, Quantum Development Kit. 235.
O plano da Microsoft é fornecer uma solução completa e que inclua também a componente de hardware; a direcção da Microsoft é aqui diferente ao apostar em qubits topológicos baseados no fermião de Majorana✠ RAY, Tiernan, Microsoft: We Have Made a Major Breakthrough in Quantum Computing, 2018. 236, partícula inicialmente identificada no âmbito da sua pesquisa em computação quântica mas o sinal eléctrico era ténue ao ponto de não poder ser posto de lado ter como origem interferências✠ MOURIK, V. et al., Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices, 2012. 237; em 2017 a mesma equipa anunciou que detectou um zero-bias peak no valor esperado de 2e²/h utilizando nanofios supercondutores em antimoneto de índio (InSb) cobertos com uma cobertura supercondutora em alumínio, um valor que se manteve estável independentemente das mudanças de parâmetros como o campo magnético✠ ZHANG, H. et al., Quantized Majorana conductance, 2018. 238.
Dispositivo onde foi capturado o fermião de Majorana.
A utilização de qubits topológicos assentes em partículas Majorana são interessantes pelo potencial que têm em termos de redução significativa dos erros (e consequente diminuição do problema relacionado com a correcção de erros em sistemas de computação quântica) pois é um tipo de qubit com maior imunidade ao ruído devido à protecção topológica inerente à utilização de quasi-partículas de Majorana.Existem dúvidas sobre a viabilidade da estratégia que só poderão ser avaliados com base em futuros desenvolvimentos.
A capacidade dos avanços nesta área darem os resultados esperados é algo que terá de aguardar pelos desenvolvimentos futuros e disponibilização de um primeiro protótipo mas parece claro que o caminho da Microsoft assenta nas suas potencialidades; citando o Charles Marcuso do Instituto Niels Bohr e investigador da Microsoft «...what’s really astounding with this activity compared with what everybody else is doing is that we have to invent a particle that’s never existed before and then use it for computing...»✠ CELLAN-JONES, Rory, Microsoft’s big bet on the quantum computer, 2018. 239.
6.4.4, Google ¶
As primeiras publicações assentaram em sistemas quânticos de 9 qubits✠ BARENDS, R. et al., Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit, 2016. 240✠ O’MALLEY, P.J.J. et al., Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies, 2016. 241 através de parceria com a UCSB. Este sistema é baseado em qubits supercondutores e junções Josephson que demonstraram taxas de fiabilidade elevadas, o que determinou a aposta da Google nesta arquitectura✠ BARENDS, R. et al., Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for fault tolerance, 2014. 242.
A investigação em termos de correcção de erros (que designaram de QEC, Quantum Error Correction)✠ KELLY, J. et al., State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit, 2015. 243 e a necessidade de permitir aplicações mais generalizadas que não são possíveis no sistema de 9 qubits levou ao desenvolvimento de um sistema de 72 qubits que assenta nos mesmos princípios e que foi apresentado recentemente, o Bristlecone✠ À data não existe informação mais detalhada relativamente às especificações técnicas deste processador, estando provavelmente a aguardar publicação. Google, Preview: Bristlecone, 2018. 244.
Chip quântico de 72 qubits da Google, Bristlecone.
As questões da «supremacia quântica» têm merecido a atenção da Google, que num estudo recente propõe um teste para medir fidelidade de um circuito quântico e permitir dessa forma provar que os sistemas de computação quânticos (nomeadamente e a começar pelo Bristlecone) possuem os qubits associados a uma taxa de erros e tempo de coerência adequados para poderem executar cálculos que estão para além das capacidades de sistemas de computação clássicos, ou fazê-lo com resultados correctos numa fracção do tempo✠ BOIXO, Sergio et al., Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices, 2018. 245.
Em termos de interacção com os seus sistemas quânticos a Google não disponibiliza, para já, forma de o fazer, sendo o mais próximo disso o Quantum Computing Playground✠ CULP, Eric, Quantum Computing Playground. 246 que utiliza uma linguagem, QScript, que se destina a permitir a programação directamente no browser de um processador quântico simulado com um número de qubits entre 6 e 22. A ausência de ferramentas próprias pode também estar relacionada com a utilização de soluções de programação já existentes como o ProjectQ✠ STEIGER, Damian S. et al., ProjectQ: An Open Source Software Framework for Quantum Computing, 2018. 247, mas em todo o caso não parece existir neste momento forma de utilizar os dispositivos quânticos da Google para experiências de qualquer tipo.
Em termos de investigação salientam-se os artigos já referidos e que incidem sobre correcção de erro e medição de fiabilidade, sendo que a equipa de Quantum AI da Google tem uma forte vertente de investigação com dezenas de artigos publicados.
6.4.5, Intel ¶
A Intel anunciou o seu primeiro chip quântico em 2017, resultado da parceria iniciada em 2015 com a holandesa QuTech✠ Intel, Intel Invests US$50 Million to Advance Quantum Computing, 2015. 248. A operar a uma temperatura de 20 mK este chip de 17 qubits é do tipo supercondutor e segue-se a um protótipo interno de 7 qubits✠ Intel, Intel Delivers 17-Qubit Superconducting Chip, 2017. 249.
Tendo em conta a importância que o mercado de processadores tem para a Intel esta entrou relativamente tarde na corrida da computação quântica mas está a apostar na capacidade de reaproveitar os seus recursos científicos e industriais existentes de forma a poder usar essa escala (e os processos de produção já montados) como factor de diferenciação; a reutilização de formatos existentes (por exemplo, o formato flip chip usado desde o Pentium III) pode permitir alavancar em processos existentes e diminuir os custos de produção associados a uma tecnologia nova✠ Intel, Intel Manufactures Qubits, 2018. 250.
Os três chips quânticos da Intel: 7, 17 e 49 qubits.
Mais recentemente a Intel apresentou o seu processador de 49 qubits, o modelo Tangle Lake, que descreve como mais um passo em direcção ao objectivo de criar uma plataforma de computação quântica completa. O processador é uma nova evolução do modelo anterior, mas a Intel não parece apostar numa única arquitectura de processadores quânticos e mantém sob investigação outras possibilidades como a baseada em spin qubits em silicone✠ Intel, Intel Sees Promise in Spin Qubits, 2018. 251. Esta solução tem como uma das vantagens as maiores semelhanças com as soluções actuais de semicondutores, são mais pequenos que os qubits em supercondutores e (potencialmente) mais estáveis, podem funcionar a temperaturas mais elevadas e (sobretudo para o caso da Intel) podem mais facilmente ser produzidos com base no conhecimento existente, inserindo-se nesta estratégia a investigação recentemente publicada de um processador quântico fabricado em Si/SiGe e com 2 spin qubits de electrões confinados✠ WATSON, T.F. et al., A programmable two-qubit quantum processor in silicon, 2018. 252.
Processador quântico da Intel, 2 qubits em silicone (esquema).
Como referido não existe informação sobre formas de programação específicas ou de acesso público.
6.4.6, Alibaba ¶
O caso da chinesa Alibaba é interessante — para além do que tem em comum em termos de valor científico em termos de computação quântica, sendo que não existem de momento detalhes sobre como interagir e programar estes dispositivos para além do seu anúncio — por duas razões: o gigante de comércio chinês é um dos poucos que fornece acesso a um dispositivo quântico físico através da sua oferta em nuvem✠ ALIBABA CLOUD / CAS, 2018. 253, mas principalmente pela reacção que provocou em termos de análise social e política: o American Affairs (e a preocupação em si é comum a muitos artigos de opinião em órgãos de referência) alerta para como a China tem vindo a apostar em ciência e em computação quântica e como essa aposta deve ser fonte de preocupação pois «... the level of cooperation on quantum with China should raise national security concerns, both for the United States and its allies...», sugerindo a criação de uma «Aliança Quântica» dos EUA e dos seus aliados que tal como o Manhattan Project «...secured the future for American leadership and the security of the free world...»✠ Winning the Race to Quantum, American Affairs, 2018. 254.
6.4.7, D-Wave ¶
Sistema D-Wave 2000Q. A caixa preta alberga o crióstato que mantém o processador a 15 mK. (Wikimedia Commons)
A D-Wave foi uma empresa pioneira no campo da computação quântica e foi a primeira a vender comercialmente sistemas quânticos✠ First Ever Commercial Quantum Computer Begins Operation, 2011. 255. O último modelo é o D-Wave 2000Q com 2048 qubits✠ D-Wave, D-Wave Announces D-Wave 2000Q, 2017. 256, e esta diferença enorme em relação aos restantes fabricantes deve-se ao próprio conceito de sistemas de computação quântica: os computadores quânticos da D-Wave são baseados em quantum annealing✠ «Recozimento quântico». 257✠ JOHNSON, M.W. et al., Quantum annealing with manufactured spins, 2011. 258 e como tal especializam-se num conjunto de problemas que, de forma geral, impliquem a identificação de um mínimo local (algoritmos quânticos adiabáticos✠ FARHI, E. et al., A Quantum Adiabatic Evolution Algorithm Applied to Random Instances of an NP-Complete Problem, 2001. 259); não são portanto sistemas de computação quântica «gerais» e não podem, por exemplo, executar o algoritmo de Shor para factorização de inteiros✠ MONTANARO, Ashley, Quantum algorithms: an overview, 2016. 260.
Que benefícios, com que dimensão e a exacta classe de problemas a que pode ser aplicado o modelo de computação quântica da D-Wave tem sido fonte de discussão desde o seu aparecimento, sendo que no último e mais vasto estudo sobre este tema não foi possível apontar conclusivamente para vantagens nas classes de problemas analisados✠ RØNNOW, T.F. et al., Defining and detecting quantum speedup, 2014. 261, sendo que pode ser um caso em que é necessário encontrar e testar classes de problemas onde a vantagem desta abordagem seja notória✠ STEIGER, Damian S. et al., Performance of quantum annealing hardware, 2015. 262.
A D-Wave criou um ambiente de desenvolvimento aberto, Qbsolv, para resolução de problemas QUBO (quadratic unconstrained binary optimization)✠ D-Wave, D-Wave Initiates Open Quantum Software Environment, 2017. 263.
6.5, Questões para o futuro ¶
Evolução do número de transístores por circuito integrado (1970--2020). O abrandamento recente reflecte os limites físicos da miniaturização. (Wikimedia Commons)
O aparecimento da computação quântica deve-se também ao aparente esgotamento da lei de Moore (capacidade computacional duplica a cada dois anos para custo idêntico) que parece vítima da necessidade de ultrapassar os problemas derivados da miniaturização e interferência causada por efeitos quânticos — será a computação quântica a única (ou pelo menos uma) hipótese de combater este plafonamento? A discussão relativa à «supremacia quântica» está presente no discurso das empresas que apostam nesta área mas independentemente disso existem classes de problemas onde mesmo com um número reduzido de qubits existem vantagens demonstráveis hoje✠ RISTÈ, D. et al., Demonstration of quantum advantage in machine learning, 2017. 264.
O crescimento da capacidade computacional tem implicações bastante práticas e com impacto a nível global: a preocupação com a investigação quântica chinesa referida anteriormente tem como pano de fundo a possibilidade dos sistemas de cifragem (e a criptografia em geral)✠ A preocupação com estes temas não é nova, basta lembrar que um dos sistemas de cifragem adoptados como padrão pelo NIST foi propositadamente enfraquecido de forma a permitir a sua decifragem pela NSA, mediante ataques que exploravam fraquezas matemáticas propositadamente inseridas. Exclusive: NSA infiltrated RSA security more deeply than thought, Reuters, 2014. 265 serem seriamente afectados: dois dos principais algoritmos quânticos são o de Shor e o de Grover que incidem sobre a factorização de números primos, algo que está na base dos processos de encriptação existentes✠ VANDERSYPEN, L.M.K. et al., Experimental realization of Shor’s quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, 2001. 266. As várias experiências que se têm feito apontam para que possa ser possível, a partir de determinado ponto, tornar os esquemas actuais de criptografia simétrica e assimétrica irrelevantes, sendo necessário pensar em sistemas pós-quânticos✠ MAVROEIDIS, V. et al., The Impact of Quantum Computing on Present Cryptography, 2018. 267.
Esquema simplificado de encriptação por chave pública (RSA). A factorização de números primos grandes, que está na base da sua segurança, é vulnerável ao algoritmo de Shor. (Wikimedia Commons)
É precisamente o algoritmo de Shor, e o pressuposto de que a factorização é um problema computacionalmente difícil, que nos coloca de novo no caminho da supremacia quântica: se é verdade que não existem limites conhecidos para a computação clássica e que, para além disso, não é clara a definição de «supremacia»✠ CALUDE, Cristian, The Road to Quantum Computational Supremacy, 2017. 268, fica ainda assim a dúvida: assumindo axiomaticamente que os sistemas assentes em mecânica quântica são superiores a sistemas digitais e que a sua escalabilidade é exponencial (cada qubit adicionado duplica a capacidade de desempenho total✠ METODI, Tzvetan D., Quantum computing for computer architects, 2006. 269), qual o ponto para lá do qual ultrapassamos uma definição estrita de «supremacia» e chegamos à capacidade de sistemas quânticos produzirem eles próprios novos sistemas mais capazes? Que (novos) limites à ciência poderão surgir num futuro pós-quântico em termos de computação?