Em 1965, o co-fundador da Intel, Gordon Moore, previu a duplicação do poder de computação a cada dois anos através de inovações no chip de computador clássico. Meio século depois, atingimos os limites físicos dessa lei fiel. E assim, quando enfrentamos outra parede de tijolos, inventamos uma nova geração de computadores para contornar esse problema

Embora desta vez usássemos as mesmas leis da física que nos impediam de progredir classicamente ainda mais. Aqui está tudo o que você precisa saber sobre o mundo revolucionário da computação quântica e como isso influenciará nosso futuro.

A História da Computação

Relíquias como o Ábaco Sumério (2500 aC) e o Mecanismo Antikythera (100 aC) foram alguns dos computadores mais antigos que nossos ancestrais inventaram para facilitar suas vidas. Esses dispositivos foram capazes de encontrar soluções para problemas que envolviam grandes cálculos e projeções de objetos celestes no céu. Séculos depois, a computação evoluiu para incorporar dispositivos eletrônicos que aceleravam a melhoria da vida humana. O crédito por isso é transferido para homens e mulheres brilhantes, como Babbage , Lovelace , Shannon , Turing , Von Neumann e outros que lançaram as bases da computação moderna.

Alguns dizem que essas inovações podem ser vistas como prova da inteligência humana. Afinal, não vemos circuitos integrados sendo cultivados em árvores, exceto se você pensar sobre isso, as folhas apresentam características semelhantes. E aqui está uma pergunta que precisa ser implorada. Os humanos são realmente extraordinários para construir computadores? A resposta que acredito é não. Acredito que essas invenções são apenas mais uma prova de naturezas inexplicavelmente complexas, modelos de computação que ainda permanecem até hoje, uma fonte ilusória mas válida de inspiração. Se observarmos de perto, a prova de computação pode ser encontrada entrelaçada em toda a nossa realidade física.

Filósofos pan-computacionais no campo da física digital , como Weizsäcker , Jaynes e Wheeler , vão tão longe - ou tão perto de - ao descrever nosso universo em conjuntos de informações - ou seja, os elementos básicos de nossa realidade existentes em uma matriz de decisões de sim ou não . Com os saltos quânticos realizados com a tecnologia quântica , atualmente estamos nos aproximando de um ponto em que podemos finalmente testar essas teorias. Os avanços em nossos materiais e ferramentas nos permitiram finalmente trabalhar com um ramo da física de 100 anos de idade, conhecido como mecânica quântica. Usando nossas novas capacidades, inventamos novos modelos computacionais que nos ajudam a circunavegar a lei sufocante de Moore (que define o limite da computação clássica ).

O novo método de computação que descobrimos é a computação quântica ( Q-computing ). Q-computing explora fenómenos e propriedades observadas na mecânica quântica, como superposição , supercondutividade , quantum entanglement, quantum tunneling, quantum annealing, spin , e polarização , os quais são observáveis em partículas e pequenas moléculas similares.

O que é computação quântica?

Na minha expectativa, o método mais eficaz de entender a computação em Q é traçar paralelos entre computadores clássicos e computadores quânticos. Para simplificar, um computador clássico emprega um sistema binário que consiste em “ 1 ou 0 “ para codificar dados enquanto o computador quântico ( Q-computer ) usa bits quânticos ( qubits ) sendo composto, em uma interpretação clássica, por uma mistura de “ 1 e 0 ”para codificar dados. Essa combinação permite que um computador Q com ‘n’ número de qubits ocupe ‘2 ^ n’ número de estados / combinações de uma só vez, em oposição a apenas um estado / combinação com um computador clássico.

Portanto, se construíssemos um sistema quântico de computador composto por 300 qubits, podemos hipoteticamente calcular, em um curto espaço de tempo, mais etapas (1x10⁹⁰) do que todos os átomos ( 1x10⁸³ ) no universo observável . E enquanto usa uma fração de energia. O poder incomparável de um computador quântico é, portanto, demonstrado neste exemplo.

Nota: Os estados dos qubits são escritos convencionalmente na Notação Dirac como | 0> -ket ou | 1> -ket. Paul Dirac fez essa notação em 1939 por sua utilidade no campo da mecânica quântica.

Atualmente, os computadores quânticos existem e podem ser operados por qualquer pessoa com conexão à Internet (links presentes no parágrafo anterior). No entanto, se você é um pesquisador, cientista ou funcionário de uma empresa da Fortune 500, poderá obter acesso a um computador Q mais avançado no início de sua fase de teste.

Campeões da computação quântica

Poucas empresas em todo o mundo adotaram o passo ousado para enfrentar o desafio de construir o melhor dispositivo de computação em Q. A cada mês, mais e mais empresas se juntam a esta lista

A D-wave , com sede em Burnaby, Canadá, é uma dessas empresas parceiras do Google , Lockheed Martin , NASA , Associação de Pesquisa Espacial das Universidades ( USRA ) e Los Almos National Laboratory para tornar o primeiro Q-computador comercialmente viável do mundo. O sistema D-wave 2000Q consiste em um enorme processador quântico de 2048 qubit ( QPU ) e usa o Quantum Annealing para superar problemas de otimização, aprendizado de máquina e desenvolvimento de materiais.

Você pode acessar o computador através da nuvem no site deles, então dê o salto .

O processador quântico da D-wave feito com materiais especiais como supercondutores e ouro

Tendo mencionado antes o poder inconcebível da Q-computing com apenas 300 qubits, que segredos do universo podemos desvendar do sistema de 2048 qubit da D-wave? Por enquanto, a comunidade científica não fez comentários especiais. Se 2000Q é, de fato, a tecnologia profetizada de admiração que Richard Feynman imaginou (em seu artigo principal sobre simulação de física) continua sendo uma questão de pesquisas adicionais. Até agora, os testes para provar sua supremacia ainda não foram acertados e seu status como um computador Q qualificado está, por enquanto, em uma superposição.

É por isso que empresas como IBM , Intel , Rigetti , Alibaba e Google adotaram uma abordagem mais difícil e menos disputada para criar uma QPU universal. Ao escolher qubits supercondutores sobre os métodos de recozimento quântico, eles esperam alcançar a supremacia quântica com menos qubits com maior flexibilidade. A IBM tem feito ondulações no campo com seu novo computador IBM-Q 20 Tokyo Universal Q atualizado . Também oferece aos seus clientes da Fortune 500 um protótipo de 50 qubit .

A IBM, como a D-wave, também permite que o público acesse seu computador Q de 5 e 16 bits através de sua nuvem.

   

Computador quântico IBM Q System One construído como um produto portátil e comercial

Casos de uso futuros para essa tecnologia tornam atraente para as empresas incluí-lo em seu portfólio de serviços na nuvem e em dispositivos fabricados para os consumidores. Há o Aspen-1 de 16 qubits da Rigetti, o Tangle Lake de 49 qubits da Intel, o Bristlecone de 72 qubits do Google e o simulador clássico de Tai Zheng de 124 qubits da AliBaba. A corrida para a supremacia quântica está se tornando progressivamente interessante à medida que as empresas tentam superar os computadores clássicos - os mesmos computadores em que algumas empresas foram pioneiras. Enquanto você lê este artigo, os pesquisadores estão trabalhando incansavelmente para provar que seus sistemas venceram seus primos autômatos.

Também pode muito bem ser que grandes empresas possam perder para pequenos grupos de pesquisa e startups que seguiram outros caminhos para o mesmo problema. Alguns desses grupos foram:

Todos esses campeões e outros demonstram o enorme potencial em realizar o que tem sido desde apenas um longo sonho em construção.

Algoritmos quânticos

É importante estar ciente de que o objetivo dessas empresas é substituir a computação clássica, mas complementá-la. Resolvendo certos problemas com algoritmos com a hipótese de serem superiores quando executados em computadores Q, os dois sistemas podem ser usados ​​em conjunto.

O Bristlecone de 72 qubit do Google é o processador quântico universal mais poderoso do mundo, construído com qubits supercondutores

Poucos dos campos que a computação em Q afetará categoricamente estão relacionados à pesquisa, otimização, computação segura, aprendizado de máquina, ciência de materiais, criptografia, química quântica, amostragem, física da matéria condensada e dinâmica quântica. O desafio que os teóricos da complexidade quântica enfrentam atualmente é descobrir os conjuntos de classes de problemas que podem ser resolvidos com eficiência pelos computadores Q ( classe de erro limitado, quântico, polinomial ( BQP) ). Uma coisa é certa, os atuais modelos e algoritmos de computação em Q oferecem um impulso significativo na solução de alguns tipos de problemas, mas fica aquém do milagre do hipercomputador Oracle que Alan Turing e outros imaginavam.

Um diagrama de complexidade computacional representando a classe BQP com outras classes

Quanto aos algoritmos que são superiores, existem muitos programas que ganharam popularidade. Sabe-se que o algoritmo de Shor para fatoração e o algoritmo de Grover para busca em banco de dados são exponencialmente e quadraticamente mais rápidos do que seus equivalentes clássicos. Eles não oferecem uma solução independente, mas esses algoritmos foram capazes de atrair a atenção de pesquisadores e inventores no campo de dados e criptografia.

A realidade da computação quântica

Depois de saber que a computação em Q é muito mais rápida em determinadas tarefas, ela não abre a porta para o seu próximo console de jogos ser um playstation-Q aprimorado. Até que obstáculos como decoerência quântica e ruído quântico (os dois principais desafios de engenharia que impedem a computação em Q) sejam resolvidos e novos materiais supercondutores que operam em temperaturas mais altas sejam fabricados, não podemos esperar que esses dispositivos estejam disponíveis em nossa casa. Atualmente, as QPUs operam em temperaturas mais frias do que o espaço, a 15 milikelvins, e pressionam quase 10 bilhões de vezes menos que as condições atmosféricas da Terra. Essas condições operacionais exigem componentes extremamente sensíveis e caros para funcionar.

Veja como outros experimentos, como o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser, estão impactando a ciência delicada, como a Q-computing.

Mas faz uma parada e questiona se a Q-computing está seguindo um caminho semelhante de comercialização pelo qual os computadores clássicos passaram? Hoje, os computadores Q são do tamanho de uma sala pequena e são capazes de calcular com a mesma eficiência que um computador decente. Se pudermos fazer novas descobertas com materiais avançados e identificar maneiras de corrigir erros causados ​​durante as operações, podemos esperar um futuro completamente diferente.

O EDSAC (1949) era do tamanho de uma sala, mas podia executar 650 instruções por segundo. Universidade de Cambridge

Aplicações da computação quântica

Chegando ao lado mais prático da Q-computing, onde os investidores estão mais interessados, os aplicativos estão em um amplo espectro de indústrias. Algumas das aplicações mais promissoras estão ligadas à simulação de moléculas e átomos. Como os computadores Q são construídos com pequenas partículas, eles são inerentemente mais adequados para imitar partículas que são governadas pelas leis da mecânica quântica.

Equipe Quantum Vision da QuTech com um refrigerador de diluição

Abaixo , mostrarei alguns exemplos de pesquisa científica, tecnologia financeira ( fintech ), telecomunicações ( telco ) e manufatura industrial.

Química: Martin Rahm, professor assistente de química física da Universidade de Tecnologia de Chalmers, desenvolveu recentemente uma nova escala de eletronegatividade , encontrando a energia de ligação média dos elétrons mais externos usando cálculos experimentais e mecânicos quânticos. Pesquisas de redefinição de livros didáticos como esse podem ser realizadas usando a Q-computing, como um grupo de pesquisa do Laboratório Nacional de Oak Ridge demonstrou no ano passado, encontrando a energia de ligação de deuteron.

Pequenas simulações moleculares: Pesquisadores da Universidade de Sydney e da IBM desenvolveram simulações para obter os estados fundamentais de pequenas moléculas como hidreto de lítio e hidreto de berílio - uma tarefa que os supercomputadores podem, na melhor das hipóteses, aproximar. Compostos como o hidreto de lítio são compostos importantes para baterias avançadas, e é por isso que fabricantes de automóveis como Volkswagen e Daimler manifestaram grande interesse no campo de pesquisa. E como veremos no futuro, a capacidade de simular moléculas alterará a química e a fabricação para sempre.

Produtos farmacêuticos: No campo dos produtos farmacêuticos, mesmo as empresas que podem pagar supercomputadores de última geração encontrarão a computação em Q útil, pois oferece uma promessa que os computadores clássicos não conseguem. A Q-computing abrirá portas para criar novos medicamentos potentes cuja eficácia será melhor compreendida. Possui o potencial de substituir o método atual de investir bilhões de dólares em pesquisas que levam décadas para serem desenvolvidas. Espera-se que a virada deste século testemunhe o surgimento de “superbactérias” , cepas bacterianas resistentes a todos os antibióticos conhecidos. E a situação precisará de uma linha de frente rápida de defesa, alimentada pela tecnologia quântica.

Engenharia Química: No campo da Engenharia Química, os Q-Computers se estabeleceram como um divisor de águas, pois milhões de dólares são investidos por gigantes como DOW e Evonik. A Q-computing tem um tremendo potencial para revolucionar a maneira como produzimos amônia, um substrato químico essencial na fabricação de fertilizantes necessários para aumentar o suprimento mundial de alimentos. Desde a Primeira Guerra Mundial, a amônia foi fabricada usando o processo Haber-Bosch: um processo de baixo rendimento e alta energia que consome quase 2% de toda a energia que produzimos anualmente. Uma melhoria considerável pode ser desenvolvida se pudermos descobrir o funcionamento interno das bactérias fixadoras de nitrogênio, que produz amônia à temperatura ambiente. A nitrogenase é uma dessas enzimas encontradas em bactérias fixadoras de nitrogênio que, nos últimos 100 anos, estão envoltas em mistério devido à sua estrutura complexa. Mas, como vemos na medicina, o Q-computing nos ajudará a desvendar a estrutura quaternária dessa enzima e descrever a função enzimática do composto.. A capacidade de fabricar essa enzima melhorará o status de segurança alimentar do mundo e ajudará a economizar uma tonelada de energia para as empresas.

Processador quântico de armadilha iônica da IonQ

Materiais avançados: A fotossíntese em plantas também tem sido difícil de replicar em laboratórios. Novas pesquisas mostraram que as plantas realizam computação Q para fotossíntese e, com nosso melhor entendimento da computação Q, podemos estudar esses processos mais profundamente e replicá-los melhor. A perspectiva de fabricar novos materiais para células solares e materiais supercondutores de alta temperatura para dispositivos eletrônicos eficientes é imensa.

Sistemas de controle e modelagem: Em níveis mais altos de abstrações, o Q-computing será usado nas indústrias modernas para detecção de falhas e problemas de otimização para diferentes tarefas. Usando o aprendizado de máquina e a computação em Q juntos, milhares de bancos de dados podem ser verificados em busca de centenas de variáveis ​​para treinar redes neurais como a GAN em tempo recorde com extrema precisão.

Fintech: Na fintech, espera-se que a Q-computing cause grandes interrupções à medida que as empresas de blockchain fortalecem e defendem seus sistemas contra o poder algorítmico da Q-computing, os fundos de hedge decodificam o mercado de ações e os bancos projetam um sistema impenetrável para transações.

TelCo: As comunicações se tornarão mais seguras em geral, porque uma propriedade da comunicação quântica é que a interceptação irreversível destrói as informações, alertando assim as autoridades em caso de violação. Físicos na China foram capazes de explorar os fenômenos mencionados anteriormente de entrelaçamento quântico para transferir chaves de criptografia da Terra para o Espaço .

Em resumo, a computação quântica, embora desafiadora, deu perspectivas nobres a pesquisadores e investidores de todo o mundo e definitivamente veio para ficar. A parte emocionante ainda está por vir, pois encontramos novos problemas que a Q-computing se destacará na solução. Você pode se envolver com a comunidade de computação quântica seguindo os links abaixo.

Os kits de desenvolvimento de algumas das principais empresas são:

  1. Rigetti’s Forest, D-Wave’s Ocean SDK
  2. IBM’s QISKIT
  3. Google’s PlayGround
  4. Intel & QuTech’s Inspire
  5. Microsoft’s development kit
  6. IonQ’s SDK environment.

The Composer(graphical user interface) of IBM’s quantum programming software accessible through the cloud.

Atualização 1 : Surgiram empresas que se dedicaram a enfrentar certos desafios à medida que a tecnologia emergia no mundo.

  1. A QuSoft é uma empresa holandesa que se dedica à criação de software fundamentalmente novo no campo da Q-computing.
  2. Project Q Sydney tem participado de um diálogo crítico para as implicações de paz e segurança de uma era quântica.

Atualização 2 : Depois de publicar este artigo, muitas pessoas me procuraram perguntando como podem trabalhar para empresas que trabalham com computadores quânticos. Embora eu esteja pensando nisso, deparei-me com um artigo do Medium, do pesquisador da IBM Jay Gambetta, que forneceu detalhes sobre como pessoas de diferentes disciplinas podem se envolver com a IBM (incluindo um e-mail para enviar seus currículos) ou qualquer outro documento relacionado. companhia. Leia aqui: The Hitchhiking Cat’s Guide to Getting a Job in Quantum Computing . Se você estiver em uma situação semelhante à minha, desejo-lhe boa sorte. :)

Atualização # 3: O Quantum Machine Learning está realmente decolando. Leia este artigo da contade Maria Schuld no Quantum Machine Learning 1.0 e obtenha uma visão de nível superior do que realmente está acontecendo no campo.

Em segundo lugar, para quem deseja se envolver academicamente com a Computação Quântica e a Informação Quântica, pode comprar / baixar Computação Quântica e Informação Quântica, escritas por Michael Nielsen e Isaac Chuang . O livro é considerado uma ‘bíblia’ do campo. Obrigado Maria por isso!

Autor: Rayyan Zahid

Artigo Original