Introdução à computação quântica
Objetivos de aprendizado
Ao final deste módulo, você terá uma melhor compreensão sobre:
- O caso de negócios para computação quântica
- Marcos e avanços na computação quântica ao longo do tempo
Uma nova forma de abordar problemas complexos
Os computadores quânticos, embora outrora fossem grandes experimentos de laboratório, agora são recursos de computação em nuvem disponíveis comercialmente, capazes de realizar cálculos que não podem ser exatamente simulados em computadores clássicos. As empresas estão cada vez mais investigando como a computação quântica pode impactar seus setores. Este treinamento vai apresentar a você a computação quântica e seu potencial valor para os negócios. Além disso, este treinamento vai equipá-lo para responder perguntas à medida que você inicia sua jornada de computação quântica. O IBM Quantum® oferece muitos recursos para você começar a aprender sobre computação quântica, independentemente do seu papel na organização.
Que problemas a computação quântica poderia resolver?
A computação quântica aproveita as leis da mecânica quântica para resolver problemas matemáticos complexos. Quando cientistas e engenheiros se deparam com problemas difíceis, eles geralmente recorrem a supercomputadores — grandes computadores clássicos com milhares de unidades de processamento central (CPUs) e unidades de processamento gráfico (GPUs). No entanto, embora os supercomputadores clássicos sejam muito bons em resolver certos tipos de problemas, eles têm dificuldades com problemas que envolvem muitas variáveis interagindo de formas complicadas. A tecnologia quântica poderia nos ajudar a superar essas barreiras de complexidade para resolver problemas importantes em setores ao redor do mundo.
Vamos começar assistindo a este vídeo sobre os tipos de problemas que os computadores quânticos podem resolver, apresentado por Katie Pizzolato, Diretora de Teoria Quântica e Ciência Computacional da IBM Quantum.
Algumas áreas consideradas particularmente promissoras para aplicações de computação quântica incluem:
- Simulação - Simulação de sistemas físicos ou químicos que já são de natureza quântica.
- Otimização - Encontrar soluções ótimas para problemas complexos, tipicamente formulados como problemas de minimização.
- Dados com estrutura complexa - Usar computação quântica para explorar novos modelos em machine learning e ciência de dados.
O caso de negócios para computação quântica
Embora a computação quântica não vá substituir os computadores convencionais, ela representa um novo paradigma de computação. Um relatório recente do IBM® Institute for Business Value, The Quantum Decade, descreve os principais impulsionadores dessa próxima geração de computação. Considere esses aspectos ao avaliar o quântico para o seu negócio:
Prioridades globais – À medida que setores inteiros enfrentam maior incerteza, os modelos de negócios estão se tornando mais sensíveis e dependentes de novas tecnologias.
O futuro da computação – A integração da computação quântica, da IA e da computação clássica em fluxos de trabalho híbridos multi-cloud vai impulsionar a revolução de computação mais significativa em 60 anos.
A empresa orientada à descoberta – As empresas vão evoluir de analisar dados para descobrir novas formas de resolver problemas.
Pressão crescente para resolver problemas exponenciais – Exemplos incluem a descoberta de novos materiais, o desenvolvimento de medicamentos para combater doenças emergentes e a reengenharia de cadeias de suprimentos para maior resiliência.
Tecnologia quântica em um ponto de inflexão – Com o hardware e os qubits escalando rapidamente, nunca foi tão importante para especialistas de domínio participar da descoberta de algoritmos. Os circuitos aumentarão em qualidade, capacidade e variedade à medida que novos algoritmos emergem.
Ecossistema quântico escalando – A inovação aberta fomenta o aprendizado colaborativo. Profissionais e cientistas precisam ser treinados para aplicar a computação quântica a problemas do mundo real, enquanto físicos e engenheiros podem criar hardware e software informados por expertise específica de domínio.
Verifique seu entendimento
Leia a pergunta abaixo, pense na sua resposta e clique no triângulo para revelar a solução.
Verdadeiro ou falso: Os computadores quânticos vão substituir os computadores clássicos no futuro.
Falso. Computadores quânticos combinados com computadores clássicos poderão em breve superar o uso de computadores clássicos isolados em tarefas relevantes. A integração da computação quântica, da IA e da computação clássica em fluxos de trabalho híbridos multi-cloud vai impulsionar a revolução de computação mais significativa. Chamamos essa visão de computadores quânticos e clássicos conectados de supercomputação quântica centrada.
Foto de um modelo do IBM Quantum System One, como instalado em Shin-Kawasaki para a Universidade de Tóquio. (Crédito: Satoshi Kawase para IBM)
Classes de problemas potenciais para computação quântica
Para mais detalhes sobre as classes de complexidade computacional que Victoria apresentou no vídeo acima, confira este artigo. Lá você vai aprender mais sobre uma lista teórica dos problemas que um computador quântico pode resolver facilmente, chamada BQP — tempo polinomial quântico com erro limitado.
O caminho da ciência aos sistemas
O que torna a computação quântica extraordinária é sua capacidade de resolver os problemas insolúveis de hoje, entregando valor de negócios. A computação quântica pode explorar esses problemas porque é baseada na mecânica quântica, que é a explicação mais profunda da realidade disponível. A computação quântica explora fenômenos da mecânica quântica para processar informações.
Embora alguns possam considerar a computação quântica uma área inovadora no início de seu ciclo de vida, a realidade é que a teoria subjacente à computação quântica vem evoluindo desde pelo menos os anos 1970. É importante reconhecer alguns dos principais marcos e avanços ao longo do tempo, pois o que antes era medido em milímetros de progresso avançou rapidamente da ciência para os sistemas.
| 1970 | Charles H. Bennett pode ter sido a primeira pessoa a escrever a frase "teoria da informação quântica" em 24 de fevereiro de 1970, enquanto trabalhava como cientista pesquisador na IBM. Sua nota foi um prenúncio do tremendo trabalho de muitos outros que se seguiria, levando o mundo ao caminho em direção à vantagem quântica. |
| 1981 | Richard Feynman, um renomado físico teórico, identificou o potencial dos computadores quânticos já em 1981. Na primeira Conferência sobre a Física da Computação, organizada pela IBM e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), ele encerrou famosamente seu discurso de abertura com a declaração "[...] a natureza não é clássica, droga, e se você quer fazer uma simulação da natureza, é melhor fazer de forma quântica, e é um problema maravilhoso, porque não parece tão fácil." [1] |
| 1994 | Em 1994, Peter Shor, um matemático então no AT&T Bell Labs em Nova Jersey, provou que um computador quântico totalmente funcional poderia fazer algo notável: poderia quebrar a criptografia RSA, um meio popular de proteger comunicações privadas. Ele mostrou que seu algoritmo quântico poderia fazer em minutos o que poderia levar um computador comum o tempo de vida do universo para desvendar. 2 |
| 1996 | Um ano depois, Lov Grover, também cientista do Bell Labs, criou um algoritmo quântico que permitiria às pessoas pesquisar rapidamente em bancos de dados não estruturados. Cientistas entraram em massa no campo, e os avanços em hardware logo seguiram os avanços no código. [2] |
| 1998 | A primeira demonstração experimental de um algoritmo quântico foi alcançada em 1998. Um computador quântico de ressonância magnética nuclear (RMN) com 2 qubits em funcionamento foi usado para resolver o problema de Deutsch por Jonathan A. Jones e Michele Mosca na Universidade de Oxford e pouco depois por Isaac L. Chuang no IBM Almaden Research Center e Mark Kubinec na Universidade da Califórnia, Berkeley, juntamente com colaboradores da Universidade de Stanford e do MIT. [3] |
| 2001 | Em 2001 ocorreu a primeira execução do algoritmo de Shor no IBM Almaden Research Center e na Universidade de Stanford. O número 15 foi fatorado usando 1018 moléculas idênticas, cada uma contendo sete spins nucleares ativos. [4] |
| 2005 | Em meados dos anos 2000, o campo de pesquisa havia desenvolvido vários tipos de qubits supercondutores, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Em 2007, uma equipe de Yale encontrou uma maneira de combinar algumas dessas abordagens para superar suas limitações individuais, nomeando o novo design de "qubit transmon". O qubit transmon viria a estar no coração dos esforços de muitas empresas para desenvolver computadores quânticos, incluindo IBM Quantum, Google AI e Rigetti Computing. Um membro da equipe de Yale, Jay Gambetta, mais tarde se tornou Vice-Presidente de Computação Quântica da IBM Research. |
Layout do computador quântico superconductor de quatro qubits da IBM anunciado em 2015. (Crédito: IBM Research)
| 2016 | Em maio de 2016, a IBM foi a primeira empresa a lançar um serviço de computação quântica em nuvem com computadores quânticos reais, chamado IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer em um tablet no IBM Research (Crédito: Connie Zhou para IBM)
| 2017 | Em março de 2017, a IBM lançou o Qiskit, um framework de programação quântica de código aberto. [6] Em dezembro de 2017, a IBM Quantum Network foi lançada para estabelecer um ecossistema comercial de computação quântica. |
| 2019 | A IBM abriu o Quantum Computation Center em Nova York, colocando online a maior frota de computadores quânticos do mundo. |
O centro de dados IBM Quantum em Poughkeepsie, NY. (Crédito: James O'Connor, IBM)
| 2020 | Em setembro de 2020, a IBM lançou um roteiro de desenvolvimento para ir dos computadores quânticos ruidosos e de pequena escala de então para os computadores quânticos com mais de um milhão de qubits do futuro. O roteiro traça o curso para atingir um marco de um computador quântico de 1.121 qubits em 2023, 1.386+ qubits em 2024 e mais de 4.000 qubits em 2025. |
| 2021 | Na primavera de 2021, a IBM anunciou o lançamento do Qiskit Runtime, um ambiente de execução em contêiner para programas quântico-clássicos que eliminou alguns dos maiores gargalos no desempenho de cargas de trabalho. [7] Em novembro de 2021, a IBM alcançou um marco importante na computação quântica ao romper a barreira do processador de 100 qubits com o Eagle, um processador quântico de 127 qubits. [9] |
| 2022 | Em abril de 2022, a IBM lançou os primitivos do Qiskit Runtime, simplificando a experiência do desenvolvedor e permitindo que os usuários obtivessem resultados mais significativos dos computadores quânticos. [10] Em maio de 2022, a IBM lançou um roteiro atualizado que antecipa uma era de supercomputação quântica centrada, na qual modularidade e diversas técnicas de comunicação aumentarão a capacidade computacional. [11] Em novembro de 2022, a IBM apresentou seu processador IBM Quantum Osprey de 433 qubits — o maior até então usando qubits supercondutores. [12] No mesmo mês, a IBM também lançou os Circuitos Dinâmicos — circuitos computacionais que usam recursos quânticos e clássicos para permitir medições em meio ao circuito e operações feed-forward [13] — e anunciou novas opções de nível de resiliência para os primitivos do Qiskit Runtime que permitem aos usuários experimentar ferramentas de supressão e mitigação de erros. [14] A IBM está tomando medidas para concretizar a supercomputação quântica centrada ao lançar middleware avançado, incluindo o Circuit Knitting Toolbox, em 2025. |
Apresentado em 2022 no IBM Quantum Summit, o processador IBM Quantum Osprey conta com 433 qubits. (Crédito: Connie Zhou para IBM)
| 2023 | Evidências da utilidade da computação quântica antes da tolerância a falhas é um artigo em destaque na capa da Nature em junho de 2023, resultado de uma colaboração entre a IBM e a UC Berkeley. Simulações físicas complexas foram realizadas por cientistas com o IBM Quantum no processador IBM Quantum Eagle de 127 qubits. As simulações foram executadas simultaneamente usando métodos de aproximação clássicos de ponta em supercomputadores localizados no Lawrence Berkeley National Lab e na Universidade de Purdue. O Eagle forneceu respostas mais precisas do que os métodos de aproximação clássicos, mesmo no regime além das capacidades dos métodos de força bruta. |
Artigo de capa da Nature sobre utilidade quântica publicado em 14 de junho de 2023
| 2023 | Em 2023, a IBM anunciou o chip Heron, com codinome montecarlo. Inicialmente com 133 qubits e atualizado para 156 qubits em 2024, o Heron incorpora uma nova arquitetura de acoplador ajustável. O Heron está apresentando melhorias significativas em relação ao melhor processador Eagle, com metade da taxa de erro de porta, praticamente zero de crosstalk e tempo de porta significativamente melhorado. O Heron aproveita inovações substanciais na entrega de sinais que foram anteriormente implantadas no Osprey. Os sinais necessários para habilitar o controle rápido e de alta fidelidade de dois qubits e de um único qubit são entregues com cabos flexíveis de alta densidade. |
Apresentado em 2023 no IBM Quantum Summit, o processador IBM Quantum Heron apresenta melhorias substanciais em relação aos processadores Eagle.
Não é fácil prever exatamente quando a computação quântica será capaz de superar os métodos em uso hoje. No entanto, para liderar na era da computação quântica que se aproxima rapidamente e abordar problemas complexos, as empresas e organizações de pesquisa precisam começar a se preparar agora. Devido à curva de aprendizado acentuada, um começo antecipado no aprendizado e na experimentação pode representar uma vantagem competitiva. A prontidão quântica é um estado em constante evolução que depende da abordagem e do investimento de uma organização em inovação, bem como de novos talentos e habilidades, e da maturidade digital geral. A prontidão inclui a adoção de tecnologias habilitadoras, como automação, IA e híbrida multi-cloud; disposição para analisar, experimentar e iterar com capacidades computacionais em expansão; a sofisticação dos fluxos de trabalho; e o conjunto de habilidades organizacionais.
Verifique seu entendimento
Leia a pergunta abaixo, pense na sua resposta e clique no triângulo para revelar a solução.
Verdadeiro ou falso: A computação quântica foi concebida pela primeira vez na década de 1990.
Falso. Embora o primeiro computador quântico experimental tenha sido criado em 1998, o potencial da computação quântica foi identificado por Richard Feynman já em 1981.
Principais aprendizados
Você pode ter em mente estes principais aprendizados:
- A computação quântica representa um novo paradigma de computação que pode trabalhar em conjunto com os computadores convencionais.
- Ela nos permitirá entender nosso mundo de forma diferente e resolver alguns problemas anteriormente intratáveis.
- Embora a computação quântica ainda não possa superar os métodos em uso hoje, as organizações podem tomar medidas agora para se preparar para essa mudança fundamental na computação.
Fontes
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, May 21, 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, GitHub repository.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, September 15, 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, May 11, 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, April 6, 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, November 16, 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, April 12, 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, May 10, 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, November 9, 2022.