Tecnologia IBM Quantum

A frota de computadores quânticos da IBM®, todos com pelo menos 127 qubits, é a maior do mundo. Esses computadores quânticos usam qubits transmon supercondutores, que não são o único tipo de qubit, mas que têm muitas vantagens. Combinar nossos computadores quânticos de classe mundial com o Qiskit permite que nossos usuários explorem como a computação quântica pode ser útil no mundo hoje. Parceiros do setor e pesquisadores estão usando a tecnologia IBM Quantum® para explorar computações relevantes e aplicações realistas. Vamos explorar a amplitude dos programas e serviços que o IBM Quantum oferece aos parceiros.

Se você faz parte de uma instituição que é membro da IBM Quantum Network, certifique-se de entrar em contato com o grupo de computação quântica da sua instituição para determinar a quais benefícios você tem acesso.

Objetivos de aprendizado

Ao final deste módulo, você deverá ser capaz de:

• Reconhecer que resolver problemas relevantes envolverá uma combinação de recursos quânticos e clássicos.
• Identificar o hardware, software e serviços disponíveis para resolver problemas relevantes.
• Descrever como medir o desempenho da computação quântica, incluindo escala, qualidade e velocidade.

IBM Quantum Platform

O IBM Quantum Platform oferece um conjunto de ferramentas de computação quântica que reúne todos os recursos de pesquisa e desenvolvimento de que os usuários precisam para realizar um ótimo trabalho, em um único lugar. Os usuários podem criar uma conta e fazer login para obter acesso aos computadores quânticos da IBM, visualizar detalhes dos computadores, acompanhar cargas de trabalho e acessar material de capacitação em Documentação e Aprendizado.

• Página inicial serve como o ponto de partida principal para o ecossistema de produtos, onde os usuários podem obter suas chaves de API, visualizar um resumo de suas instâncias e informações de uso, ver detalhes de jobs recentes e acessar links úteis para outros lugares na plataforma.
• Documentação agrega documentação do Qiskit, documentação de serviços e informações de referência de API em um único local, organizado de forma que suporte os fluxos de trabalho naturais dos usuários.
• Aprendizado é o lar do material educacional, incluindo cursos e módulos de ensino, e o Circuit Composer interativo (em breve). Essa combinação de editor gráfico e de código permite que os usuários prototipem, simulem e depurem circuitos visualmente e, em seguida, os executem em computadores quânticos da IBM.

Qiskit Runtime

O Qiskit Runtime é uma arquitetura portátil, segura e conteinerizada que executa programas quânticos em uma unidade de computação clássica fortemente integrada ao processador quântico. O Qiskit Runtime permite que o computador quântico se torne parte de qualquer ambiente de computação para acelerar a computação — semelhante a uma unidade de processamento gráfico (GPU) — e gerencia a orquestração de jobs e a transferência de dados para a unidade de processamento quântico, maximizando a eficiência.

O Qiskit e o Qiskit Runtime tornam simples a orquestração rápida de programas entre recursos de computação na nuvem. A IBM constrói middleware para o quântico a fim de maximizar o desempenho de aplicações quânticas executadas em recursos computacionais quânticos e clássicos paralelizados e baseados em nuvem. Esse middleware inclui o circuit knitting toolbox e nossa arquitetura serverless quântica.

O add-on de corte de circuito do Qiskit permite que os desenvolvedores dividam circuitos grandes em circuitos menores adequados para os computadores quânticos atuais. O circuit knitting usa computação clássica para assumir parte da carga computacional de um circuito quântico, superando o que podemos alcançar com qualquer um deles isoladamente. Ferramentas adicionais ajudam a reconstruir circuitos com recursos clássicos e a unir os resultados finais.

O Quantum Serverless é um kit de ferramentas de orquestração multi-cloud para conectar recursos clássicos elásticos ao serviço IBM Qiskit Runtime. O Quantum Serverless permite que os desenvolvedores se concentrem no código, em vez de no provisionamento de recursos.

Computadores quânticos supercondutores da IBM

Os processadores quânticos da IBM usam um tipo físico de qubit chamado qubit transmon supercondutor, que é feito de materiais supercondutores padrão em um substrato de silício. Outros processadores quânticos podem usar qubits fotônicos, que são feitos de fótons de luz únicos, ou qubits de íons aprisionados, que armazenam informações em partículas atômicas carregadas. Para facilitar o fluxo de corrente elétrica, os qubits supercondutores precisam ser mantidos a temperaturas extremamente baixas — próximas ao zero absoluto.

Processador IBM de 127 qubits

Desempenho da computação quântica

Medindo o desempenho da computação quântica

Um computador quântico universal tolerante a falhas é o grande desafio da computação quântica. É um dispositivo capaz de realizar operações quânticas universais de forma adequada usando componentes não confiáveis. Os computadores quânticos de hoje não são tolerantes a falhas.

Para comparar computadores quânticos entre si, a contagem de qubits não é suficiente. Muitos outros detalhes devem ser considerados, como taxas de erro e como o sistema está conectado. Existem quatro métricas principais para medir o desempenho da computação quântica:

• Escala - Medida pelo número de qubits, que indica a quantidade de informação que podemos codificar no computador quântico.
• Qualidade - Medida pelo Volume Quântico, que indica a qualidade dos circuitos e com que fidelidade os circuitos são implementados no hardware.
• Velocidade - Medida pelo CLOPS (Operações de Camada de Circuito por Segundo), que indica quantos circuitos podem ser executados no hardware em um determinado tempo.
• Fidelidade de Camada - Medida pelo EPLG (Erros por Porta em Camadas), que descreve como os erros ocorrem quando as operações são realizadas nos qubits.

Para uma descrição mais detalhada de algumas das métricas acima, veja este artigo no IBM Research Blog. Cada fase na adoção da computação quântica na indústria é impulsionada pelo aumento do Volume Quântico, que é calculado usando vários parâmetros, como largura do circuito, conectividade de qubits e taxas de erro.

A definição técnica de Volume Quântico é difícil de comunicar sem equações. Dario Gil, Diretor de Pesquisa da IBM, explica:

Para entender melhor o Volume Quântico, considere a seguinte analogia interessante. A seção abaixo cobre tempo, espaço e taxas de erro em termos de fazer um passeio pela cidade de Nova York.

Visitando os estados do Volume Quântico

O Volume Quântico descreve o maior espaço computacional quântico que um computador quântico pode explorar, onde o volume do espaço quântico é 2^N, com N sendo o número de qubits, ou seja, a dimensão usual do espaço de estados. Usamos propositalmente a palavra "espaço" aqui porque, uma vez mencionado o espaço, é simples pensar em um volume.

O fator que limita essa exploração é a taxa de erro. A taxa de erro pode ser equiparada à quantidade de tempo que nos é permitido explorar o espaço. Mais erros significam menos tempo para explorar. Quanto maior o espaço computacional, mais tempo leva para explorar completamente o espaço e, portanto, precisamos de um computador quântico com uma taxa de erro menor.

Considere um turista explorando Nova York. O turista quer explorar toda a cidade, o que significa que quer um volume turístico do tamanho de NYC. Se dermos ao turista apenas um dia, não há como explorar tanto espaço, então o turista não obtém o volume turístico desejado. No entanto, se dermos ao turista três dias, ele provavelmente conseguirá visitar todos os principais pontos e obter o volume turístico necessário de NYC.

E se dermos ao turista mais tempo, mas ainda restringirmos o espaço a NYC? Em outras palavras, e se mantivermos o número de qubits igual, mas diminuirmos a taxa de erro? Então não há benefício para o turista, pois ele já explorou a cidade e está apenas visitando os mesmos lugares repetidamente. O volume turístico permanece o mesmo. Em vez disso, com mais tempo, é mais inteligente para o turista expandir o número de pontos turísticos a visitar.

Ou suponha que mantenhamos o tempo fixo em três dias, mas o turista decida tentar explorar toda NYC e Long Island? Em outras palavras, e se fixarmos a taxa de erro, mas adicionarmos mais qubits? Novamente, o volume turístico permanece o de NYC porque o turista não consegue explorar o espaço maior no tempo alocado. Assim, ser um turista melhor e alcançar um volume turístico maior requer aumentar simultaneamente o espaço de exploração e a quantidade de tempo que o turista tem para explorar.

Da mesma forma exata, construir computadores quânticos melhores que alcancem Volumes Quânticos maiores requer aumentar simultaneamente o espaço computacional quântico (número de qubits) enquanto se diminui a taxa de erro (aumentando a quantidade de tempo que o algoritmo pode executar). Por exemplo, por meio de avanços nas arquiteturas de acoplamento ajustável, a IBM dobrou o volume quântico duas vezes em apenas um ano!

No entanto, à medida que a computação quântica evolui, passamos a nos preocupar mais com o trabalho útil que nossos computadores quânticos podem realizar em um tempo razoável. Se medirmos a escala pelo número de qubits e a qualidade pelo volume quântico, então a velocidade de processamento quântico é a medida do trabalho útil que esses qubits podem realizar em um tempo razoável. A definimos como o número de circuitos primitivos que podem ser processados por segundo. É semelhante ao FLOPS na computação clássica — o número de operações de ponto flutuante por segundo. Melhorar a velocidade da QPU é a chave para a computação quântica prática. Assim como a programação de computador clássica, a programação quântica requer a execução de muitos circuitos. Uma velocidade razoável de QPU permitirá que os usuários incorporem a computação quântica como parte de seus fluxos de trabalho.

Verifique seu entendimento

Leia a pergunta abaixo, pense na sua resposta e clique no triângulo para revelar a solução.

Verdadeiro ou falso: Volume Quântico se refere ao tamanho dos refrigeradores criogênicos que abrigam os computadores quânticos da IBM.

Falso. O Volume Quântico é um único número destinado a encapsular o desempenho dos computadores quânticos de hoje.

O que vem a seguir na computação quântica

Os computadores quânticos de hoje, e os esperados para o futuro previsível, são ruidosos. Isso significa que eles são sensíveis a perturbações ambientais que podem impactar a fidelidade dos resultados. Da mesma forma que a computação clássica evoluiu por meio da escala modular de processadores, computação eficiente e paralelização, vemos a computação quântica evoluindo para realizar seu pleno potencial. À medida que trabalhamos em direção a computadores quânticos totalmente tolerantes a falhas, queremos resolver problemas úteis com o hardware e software que possuímos hoje.

Utilidade quântica

O IBM Quantum e a Universidade da Califórnia, Berkeley apresentaram evidências de que os computadores quânticos podem agregar valor mais cedo do que o esperado, graças aos avanços no hardware IBM Quantum e nos métodos de mitigação de erros. Além de apenas uma prova de conceito, entregamos resultados precisos o suficiente para serem úteis. O modelo de computação que exploramos com esse trabalho é uma faceta central de muitos algoritmos projetados para computadores quânticos de curto prazo.

O ciclo de retroalimentação entre o quântico e o clássico é fundamental para avançar as tecnologias quânticas. Com foco na utilidade quântica, usamos o quântico para investigar problemas complexos que desafiam os frameworks de computação de alto desempenho existentes, depois verificamos os resultados classicamente. Esse vai e vem contínuo de circuitos quânticos complexos sendo executados e computadores clássicos verificando os resultados quânticos vai melhorar ambos os domínios computacionais e fornecer aos usuários confiança nas capacidades dos computadores quânticos de curto prazo.

Leitura opcional — clique no triângulo para ler mais sobre o experimento

• Neste experimento, usamos todos os 127 qubits do nosso processador IBM Quantum Eagle para simular o comportamento variável de um sistema que naturalmente se mapeia para um computador quântico, chamado modelo de Ising quântico. Os modelos de Ising são simplificações da natureza que representam átomos interagentes como uma rede de sistemas quânticos de dois estados interagentes em um campo de energia. Esses sistemas se parecem muito com os qubits de dois estados que compõem nossos computadores quânticos, tornando-os uma boa opção para testar as capacidades de nossos métodos. Usamos o ZNE para tentar calcular com precisão uma propriedade do sistema chamada de seu valor esperado — essencialmente uma média ponderada dos resultados possíveis do circuito.

• Simultaneamente, a equipe de Berkeley tentou simular o mesmo sistema usando métodos de rede tensorial com a ajuda de supercomputadores avançados localizados no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Lawrence Berkeley National Lab e na Universidade de Purdue.

• Os métodos quânticos continuaram a concordar com os métodos exatos. Mas eventualmente, os métodos de aproximação clássicos começaram a falhar à medida que a dificuldade aumentava.

• Por fim, pedimos a ambos os computadores que realizassem cálculos além do que poderia ser calculado exatamente — e o computador quântico retornou uma resposta que tínhamos mais confiança em ser correta. E embora não possamos provar se essa resposta estava de fato correta, o sucesso do Eagle nas execuções anteriores do experimento nos deu confiança de que estavam.

Correção de Erros

A correção de erros tem sido uma área chave de pesquisa por décadas. Mas durante a maior parte desse tempo, as técnicas teóricas de correção de erros foram impraticáveis de implementar em computadores quânticos reais, principalmente devido ao número muito grande de qubits necessários. De fato, muitos especialistas preveem que a computação quântica tolerante a falhas prática (FTQC) exigirá milhões de qubits físicos. Mas em um artigo recente publicado na capa da Nature, pesquisadores da IBM introduziram um novo código, que chamamos de código de Gross, que supera essa limitação.

O artigo Memória quântica tolerante a falhas com alto limiar e baixa sobrecarga descreve o novo código de correção de erros quânticos que é aproximadamente 10 vezes mais eficiente do que os métodos anteriores na proteção de dados quânticos delicados contra o acúmulo de erros. Para considerar o quanto mais próximos estamos agora do início da correção de erros, considere que usando o código de Gross, você pode proteger 12 qubits lógicos por aproximadamente um milhão de ciclos de verificações de erros usando 288 qubits.

Não se espera que a correção de erros substitua repentinamente a mitigação e a supressão de erros. Em vez disso, nos próximos anos, a mitigação e a supressão de erros continuarão a desempenhar um papel fundamental, ao lado de números crescentes de qubits com correção de erros.

Roteiro de Desenvolvimento IBM Quantum

Estamos agora firmemente na era da utilidade quântica. Isso significa que os computadores quânticos são melhores em computação quântica do que os computadores clássicos, e podem ser aproveitados pelos nossos usuários para descobrir novos algoritmos e buscar vantagens quânticas. Nosso roteiro descreve nossos marcos históricos e planos para alcançar a vantagem quântica de curto prazo até 2026.

Até 2029, entregaremos o Starling — um computador quântico tolerante a falhas de grande escala capaz de executar circuitos quânticos com 100 milhões de portas quânticas em 200 qubits lógicos. Estamos construindo esse sistema agora em nossa histórica instalação em Poughkeepsie, Nova York. Saiba mais sobre nosso progresso no PDF do Roteiro Guiado.

Leia mais sobre o roteiro de desenvolvimento IBM Quantum aqui.

Desafio 5k

A IBM trabalha com a comunidade de pesquisa quântica para encontrar casos de uso potenciais que possam se beneficiar da computação quântica. Fornecemos ferramentas cada vez mais poderosas para que os usuários possam explorar problemas urgentes com o quântico. Em 2024, lançamos uma ferramenta capaz de calcular observáveis não tendenciosos de circuitos longos e de alta qualidade. Encontrar o que pode ser feito com essa combinação de 100+ qubits e circuitos profundos foi chamado de "desafio 100x100". Mas o número preciso de qubits e profundidade em cada um é menos importante do que aproveitar o poder da combinação. Imagine o que é possível com 5.000 circuitos quânticos em uma única computação. Os usuários podem executar circuitos quânticos com complexidade e tempo de execução além das capacidades dos melhores computadores clássicos de hoje. Estamos animados para ver o que a comunidade quântica vai construir para nos ajudar a aproveitar o poder do quântico e resolver problemas importantes.

Supercomputadores quânticos centrados

Ir além de processadores de chip único é a chave para resolver problemas em escala. Em 2024, introduzimos o Crossbill, o primeiro processador único feito de múltiplos chips. Estes são os primeiros passos para inaugurar uma nova era de escalonamento, fornecendo um caminho claro para 100.000 qubits e além com supercomputação quântica centrada. Esta é uma arquitetura de computação modular que permite o escalonamento. Ela combina comunicação e computação quânticas para aumentar a capacidade computacional, enquanto emprega middleware de nuvem híbrida para integrar perfeitamente fluxos de trabalho quânticos e clássicos.

Resolver os problemas mais complexos do mundo vai exigir uma combinação de recursos clássicos e quânticos. Além disso, dependerá da contínua colaboração entre indústria e academia.

Principais aprendizados

Você pode ter em mente estes principais aprendizados:

• Os computadores quânticos de hoje não são tolerantes a falhas.
• O Volume Quântico é uma medida holística de quão bom é um computador quântico. Quanto maior o Volume Quântico, melhor. Falar apenas sobre a contagem de qubits é enganoso.
• Para medir o desempenho dos computadores quânticos, existem quatro métricas principais: escala, qualidade, velocidade e fidelidade de camada.
• Um experimento conjunto IBM Quantum-UC Berkeley apresentou evidências de computadores quânticos da IBM entregando resultados confiáveis e precisos para problemas de simulação desafiadores em uma escala de 127 qubits.
• A supercomputação quântica centrada significa tratar o quântico como uma parte de um paradigma de HPC mais amplo, com o clássico e o quântico trabalhando como uma única unidade computacional.