Os sistemas de íons presos estão ganhando impulso na busca para fazer um computador quântico comercial.
Uma tecnologia para construir computadores quânticos que há muito tempo foi deixada de lado por grandes empresas está ganhando força. À medida que a computação quântica passou de exercício acadêmico a grandes negócios na última década, os holofotes se voltaram principalmente para uma abordagem – os minúsculos loops supercondutores adotados por gigantes da tecnologia como IBM e Intel. Os supercondutores permitiram ao Google, no ano passado, alegar que havia alcançado “vantagem quântica” com uma máquina quântica que pela primeira vez executou um cálculo específico que está além das capacidades práticas do melhor computador clássico. Mas uma abordagem separada, usando íons presos em campos elétricos, está ganhando força na busca para fazer um computador quântico comercial.
No início deste ano, a empresa de tecnologia e manufatura Honeywell lançou seu primeiro computador quântico usando íons aprisionados como base de seus bits quânticos ou ‘qubits’, nos quais vinha trabalhando silenciosamente por mais de uma década. Honeywell, sediada em Charlotte, Carolina do Norte, é a primeira empresa estabelecida a seguir esse caminho. Em outubro, sete meses após o lançamento, a empresa revelou uma máquina atualizada; já tem planos para aumentar a escala.
E no mês passado, a empresa spin-out da Universidade de Maryland, IonQ, anunciou uma máquina de íons presos que poderia se mostrar competitiva com as da IBM ou do Google, embora a empresa ainda não tenha publicado detalhes de seu desempenho. Empresas menores – como a Universal Quantum e a Alpine Quantum Technology em Innsbruck, Áustria – também estão atraindo investimentos para projetos de íons aprisionados.
Os computadores quânticos de íons aprisionados estão longe de ser novos: eles foram a base dos qubits no primeiro circuito quântico básico em 19951, muito antes de alguém usar loops supercondutores. Mas os esforços para colocar todos os blocos de construção juntos para construir sistemas comerciais viáveis estão “meio que explodindo em cena agora”, diz Daniel Slichter, físico quântico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Boulder, Colorado.
“Acho que hoje em dia as pessoas dizem ‘supercondutores’ e ‘íons aprisionados’ na mesma respiração, e não estavam dizendo isso nem mesmo cinco anos atrás”, diz Chris Monroe, físico da Universidade de Maryland em College Park, que trabalhou em o experimento de 1995 e é cofundador da IonQ. A computação quântica ainda está em sua infância e, embora várias empresas estejam competindo para alegar que seu computador quântico é o mais avançado (consulte ?Quem é o melhor), É muito cedo para dizer quais tipos de hardware – se houver – prevalecerão. À medida que as empresas adotam uma variedade de tecnologias, o campo é mais amplo do que nunca.
Cálculos massivos
Os computadores clássicos armazenam suas informações como 1s e 0s, mas os qubits existem em uma sobreposição delicada de 1 e 0. Por meio do fenômeno quântico de emaranhamento, os estados dos qubits podem se tornar entrelaçados, e a interferência de seus estados quânticos semelhantes a ondas deve permitir que um computador quântico carregue certos cálculos massivos exponencialmente mais rápido do que as melhores máquinas clássicas. Isso inclui encontrar os fatores dos números primos.
Qualquer sistema com dois estados mecânicos quânticos possíveis – como as oscilações em um loop supercondutor ou os níveis de energia de um íon – poderia formar um qubit, mas todos os tipos de hardware têm prós e contras, e cada um enfrenta obstáculos substanciais para formar um quantum completo computador. Uma máquina capaz de cumprir a promessa original de computação quântica, por exemplo, quebrando a criptografia convencional, exigiria milhões de qubits individualmente controláveis. Mas o tamanho não é o único problema: a qualidade dos qubits e como eles se conectam entre si são igualmente importantes.
A frequência de erros em qubits delicados e suas operações, causados por ruído, tende a aumentar à medida que mais são conectados. Para que milhões de qubits sejam calculados juntos, cada um precisa trabalhar com taxas de erro baixas o suficiente para que os erros possam ser detectados e corrigidos em um processo conhecido como correção de erros, embora os físicos também esperem que sistemas menores e mais ruidosos se mostrem úteis no curto prazo.
Quem é o melhor?
Os laboratórios há muito competem para construir o computador quântico com mais qubits. Mas julgar qual máquina é a mais poderosa é difícil, diz Sabrina Maniscalco, uma física quântica da Universidade de Helsinque. “Não existe apenas uma medida de desempenho”, diz ela.
Em junho, a empresa de tecnologia Honeywell em Charlotte, Carolina do Norte, afirmou ter feito o computador quântico mais poderoso do mundo, medido pelo “volume quântico”. Essa métrica leva em consideração o número de qubits de um sistema, conectividade, ruído e taxas de erro, que capturam a complexidade dos problemas que ele pode resolver. O volume quântico da máquina era 64, o dobro do dispositivo líder da IBM na época. Como uma ferramenta de comparação, o volume quântico é melhor do que julgar apenas o número de qubits, mas ainda é uma métrica bastante grosseira, diz Maniscalco.
As comparações frente a frente – uma forma alternativa de medir as capacidades relativas dos dispositivos – nem sempre são produtivas, porque o desempenho de qualquer computador depende da tarefa, diz Margaret Martonosi, chefe da direção de ciência da computação da US National Science Foundation em Alexandria, Virgínia. Sem saber como as características cruciais serão dimensionadas, o desempenho de um protótipo nos diz pouco sobre o poder de uma versão em tamanho real, acrescenta ela.
Ao usar qualquer métrica, as empresas devem ser cautelosas ao fazer grandes afirmações, diz Doug Finke, um cientista da computação em Orange County, Califórnia, que dirige o site de monitoramento de indústria Quantum Computing Report. A afirmação da Honeywell de que sua máquina era a mais poderosa foi prematura, porque poucos desenvolvedores usam o volume quântico, diz ele. E em outubro, a primeira vez que o IonQ usou formalmente a métrica, a empresa spin-out da Universidade de Maryland disse que esperava que sua máquina mais recente tivesse um volume quântico de 4 milhões, o que, se comprovado, ultrapassaria o recorde da Honeywell.
Outra medida de poder é a capacidade de um computador quântico de vencer uma máquina clássica em um problema – o que o Google fez no ano passado usando uma máquina de 54 quibit. Para Finke, alcançar esta “vantagem quântica” em um problema de valor comercial é “a medida real do sucesso de um computador quântico”.
Prós e contras
Nos últimos anos, o rápido progresso em circuitos supercondutores correu o risco de deixar íons presos na poeira. Google, IBM e outros desenvolveram máquinas com cerca de 50 ou mais qubits de alta qualidade. A IBM pretende ter uma máquina de 1.000 qubit até 2023. John Martinis, físico quântico da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara – e, até abril, chefe de hardware quântico do Google – acha que o Google usará a mesma arquitetura básica que usou para alcançar vantagem quântica para alcançar a correção de erros, o próximo grande marco.
Os qubits supercondutores têm se beneficiado até agora por parecerem familiares para muitas empresas, já que seus componentes básicos são compatíveis com a tecnologia clássica de chip. Mas os qubits de íons aprisionados, que armazenam informações nos níveis de energia de átomos carregados individuais mantidos em um campo elétrico, têm muitas vantagens inerentes, diz Sabrina Maniscalco, física quântica da Universidade de Helsinque. Suas operações são muito menos sujeitas a erros e os delicados estados quânticos de íons individuais duram mais do que aqueles em qubits supercondutores, que, embora pequenos, ainda são feitos de um grande número de átomos. Além disso, os qubits supercondutores tendem a interagir apenas com seus vizinhos mais próximos, enquanto os íons presos podem interagir com muitos outros, o que torna mais fácil executar alguns cálculos complexos, diz ela.
Mas os íons presos têm desvantagens: eles são mais lentos na interação do que os qubits supercondutores, o que será importante quando se trata de contabilizar erros em tempo real que saem do sistema, diz Michele Reilly, fundadora da empresa de software quântico Turing em Nova York. E há limites para quantos íons podem caber em uma única armadilha e interagir. O modelo mais recente da IonQ contém 32 íons presos em uma cadeia; arrancar qualquer 2 usando lasers faz com que eles interajam. Para escalar até centenas de qubits, a empresa está trabalhando em maneiras de ligar várias cadeias de qubits usando fótons. A empresa pretende dobrar seu número de qubits a cada ano.
Enquanto isso, a Honeywell planeja interconectar todos os íons entre si, transportando-os fisicamente em torno de um chip gigante2 – uma ideia desenvolvida pela primeira vez no NIST no final dos anos 1990. O sistema mais recente da divisão Honeywell Quantum Solutions (HQS) da empresa, chamado H1, consiste em apenas 10 qubits, mas sua cientista-chefe Patty Lee diz que a empresa já está trabalhando em sua próxima iteração. Nos próximos 5 anos, a equipe planeja conectar cerca de 20 qubits, o que deve permitir que a máquina resolva problemas que seriam inviáveis em máquinas clássicas, diz Tony Uttley, presidente da HQS.
O desafio é manter a qualidade e a precisão dos qubits, enquanto controla dezenas, ou até centenas, de uma só vez – o que nem a Honeywell nem o IonQ ainda mostraram que podem fazer. Embora muitos dos componentes necessários tenham sido controlados individualmente, “o que é necessário é uma abordagem integrativa em nível de sistema juntando tudo, testando e resolvendo seus problemas”, diz Barbara Terhal, uma física teórica da Delft University of Technology na Holanda .
Sem vencedor claro
O hardware de íons presos não é o único que atrai investimentos substanciais. O sucesso dos qubits supercondutores abriu as portas para várias tecnologias, diz Slichter, incluindo os qubits de spin baseados em silício, que armazenam informações quânticas nos estados de spin nuclear de um átomo embutido em um cristal de silício. Em um golpe para esta tecnologia, Martinis ingressou na Silicon Quantum Computing em Sydney, Austrália, em um período sabático de 6 meses em setembro – seu primeiro afastamento dos sistemas supercondutores em quase duas décadas. Martinis não se importa com qual design acaba ganhando. “Quero ajudar alguém a construir o primeiro computador quântico. Não precisa ser eu [ou] com o que estou trabalhando”, diz ele.
A corrida também está longe de ser chamada, diz Maniscalco, e um vencedor pode nunca surgir. “Pode ser que não haja uma plataforma vencedora, mas temos plataformas híbridas ou diferentes que são úteis para tarefas diferentes.”
Publicado em 21/11/2020 11h50
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