Introdução ao curso

Antes de começar, por favor complete esta breve pesquisa pré-curso, que é importante para nos ajudar a melhorar nossos conteúdos e a experiência do usuário.

Clique abaixo para ouvir uma introdução ao curso por Olivia Lanes, ou abra o vídeo em uma janela separada no YouTube.

Sobre este curso

Bem-vindo ao Computação Quântica na Prática — um curso que tem como foco os computadores quânticos de hoje e como usá-los ao máximo. Ele abrange casos de uso realistas e potenciais para a computação quântica, além das melhores práticas para executar e experimentar com processadores quânticos de 100 ou mais qubits.

Utilidade quântica

É um momento empolgante para a computação quântica. Após muitos anos de pesquisa e desenvolvimento teórico e experimental, os computadores quânticos estão se aproximando de um ponto em que podem começar a competir com os computadores clássicos e demonstrar utilidade.

Utilidade não é a mesma coisa que vantagem quântica, que se refere a computadores quânticos superando os computadores clássicos em tarefas significativas. Os computadores clássicos têm poder e adaptabilidade incríveis, e a realidade é que os computadores quânticos simplesmente ainda não conseguem superá-los. Vimos décadas de avanços na computação clássica — não só no hardware de computação, mas também nos algoritmos para computadores clássicos — e podemos observar claramente que a tecnologia da computação digital eletrônica mudou radicalmente o nosso mundo.

A computação quântica, por outro lado, está em um estágio diferente do seu desenvolvimento. A computação quântica impõe demandas extremas ao nosso controle de sistemas quânticos e empurra os limites da tecnologia atual — e não podemos esperar realisticamente dominar essa nova tecnologia e superar a computação clássica logo de cara. Mas estamos vendo sinais que sugerem que os computadores quânticos estão começando a se tornar competitivos com os métodos de computação clássica para tarefas específicas, o que é um passo natural na evolução tecnológica da computação quântica, conhecido como utilidade quântica.

À medida que a tecnologia avança e novos métodos de computação quântica são desenvolvidos, podemos razoavelmente esperar que suas vantagens se tornem cada vez mais pronunciadas — mas isso vai levar tempo. À medida que isso acontece, provavelmente veremos uma interação de vai-e-vem com a computação clássica: demonstrações de computação quântica serão realizadas e a computação clássica vai responder, a computação quântica dará outra volta, e o padrão se repetirá. E um dia, quando o desempenho de um computador quântico não puder ser igualado classicamente, vamos hipotetizar que vimos uma vantagem quântica — mas mesmo assim não teremos certeza! Provar resultados de impossibilidade para computadores clássicos é, em si, um problema impossível, até onde sabemos.

Simulando a Natureza

Simuladores clássicos — ou seja, programas de computador rodando em computadores clássicos que simulam sistemas físicos — podem fazer previsões sobre sistemas quânticos mecânicos. Mas simuladores clássicos não são quânticos e não conseguem emular diretamente sistemas quânticos. Em vez disso, usam cálculos matemáticos para aproximar o comportamento quântico. À medida que os tamanhos dos sistemas simulados crescem, a sobrecarga necessária para fazer isso aumenta dramaticamente, impondo limites a quais sistemas quânticos podem ser simulados classicamente, quanto tempo as simulações levam e a precisão dos resultados.

Computadores quânticos, por outro lado, podem emular sistemas quânticos de forma mais direta — e, como resultado, a sobrecarga que exigem escala significativamente melhor à medida que o tamanho do sistema cresce. De fato, essa foi a ideia de Richard Feynman nos anos 1980 que motivou pela primeira vez uma investigação sobre o potencial dos computadores quânticos. Falaremos mais sobre isso depois!

Pesquisadores da IBM® publicaram um artigo em 2023 mostrando, pela primeira vez, que um computador quântico pode competir com técnicas clássicas de ponta para simular um modelo físico particular. Seus resultados ainda podem ser igualados por técnicas avançadas rodando em computadores clássicos — mas superou algoritmos de força bruta, e também oferece um novo ponto de dados ao qual diferentes métodos de simulação (que não são exatos e nem sempre concordam em suas previsões) podem ser comparados.

Foco em processadores quânticos maiores

Usuários anteriores do hardware quântico da IBM podem ter notado que os processadores menores que disponibilizávamos ao público foram retirados de operação, abrindo caminho para processadores maiores (com mais de 100 qubits). Esses processadores menores podiam ser facilmente simulados classicamente. Portanto, embora representassem degraus acessíveis ao público em uma tecnologia em avanço, não podiam de forma alguma demonstrar utilidade quântica: tudo que podia ser feito com eles poderia igualmente ser feito com uma simulação clássica.

Com cerca de 100 qubits, porém, esse não é mais o caso; processadores quânticos desse tamanho não podem mais ser simulados classicamente. Isso representa uma espécie de transição de fase, para uma nova era de tecnologia de computação quântica onde existe o potencial de superar a computação clássica. É aí que a IBM escolheu focar — buscar poder computacional quântico e avançar em direção a uma eventual vantagem quântica.

Encorajamos nossos usuários a usar esses novos dispositivos ao máximo, a experimentar com eles e empurrar seus limites, e a levar adiante as lições aprendidas para a próxima geração de processadores quânticos atualmente em desenvolvimento. O objetivo deste curso é permitir que você faça isso!

Público e objetivos do curso

Este curso é para qualquer pessoa que pretenda desenvolver novos aplicativos para computadores quânticos, queira escalar seu trabalho atual em computação quântica, ou aprender a usar processadores quânticos em seu fluxo de trabalho. Isso inclui não só físicos e cientistas da computação, mas também engenheiros, químicos, cientistas de materiais e qualquer outra pessoa com interesse em dominar o hardware de computação quântica.

O curso será prático e focado no uso concreto de computadores quânticos. Entre os tópicos e habilidades abordados estão:

• Executar jobs em escala de utilidade em processadores quânticos via Qiskit Runtime
• Usar técnicas de mitigação de erros para melhorar resultados em hardware
• Áreas de aplicação potenciais para computadores quânticos de curto prazo

Este curso não abrange a teoria introdutória de computação quântica e pressupõe familiaridade básica com qubits e circuitos quânticos. O curso Fundamentos de informação quântica nesta plataforma cobre esse material e é recomendado primeiro para quem está começando na computação quântica.

A história da computação

A computação quântica é uma tecnologia nova e empolgante em estágio inicial de desenvolvimento — mas é apenas mais um capítulo de uma história que remonta a milhares de anos. É a história da computação e suas múltiplas conexões com o mundo físico.

Dispositivos de computação desde os tempos antigos

Desde os tempos antigos, nós, humanos, precisamos realizar computações — ou seja, processar informações de acordo com certas regras e restrições — para viabilizar comunicação, construção, comércio, ciência e outros aspectos de nossas vidas. Buscamos ajuda no mundo físico e, por meio de descobertas engenhosas, construímos dispositivos para nos ajudar a computar.

Há muito tempo, dispositivos feitos de madeira, osso e cordas com nós armazenavam informações e facilitavam cálculos. Dispositivos mecânicos feitos de alavancas, engrenagens e outras máquinas avançaram de relógios astronômicos primitivos, para calculadoras, até sofisticados dispositivos computacionais como os analisadores diferenciais, que resolviam equações usando rodas e discos rotativos. Até mesmo a tecnologia da escrita desempenhou um papel importante nessa história, permitindo que pessoas realizassem computações que de outra forma não conseguiriam.

Quando pensamos em computadores hoje, tendemos a pensar em computadores digitais eletrônicos. Mas isso é, na verdade, uma tecnologia bastante recente: os computadores digitais eletrônicos foram construídos pela primeira vez na década de 1940. (Em contraste, acredita-se que o ábaco sumério tenha sido inventado entre 2700 e 2300 a.C.) A tecnologia avançou dramaticamente desde então e os computadores são agora onipresentes. Eles são encontrados em casas, locais de trabalho e nos veículos que nos transportam entre eles, e muitos de nós os carregamos conosco onde quer que vamos.

Também temos supercomputadores, que são grandes coleções de poderosos processadores clássicos conectados em paralelo. Eles estão entre as melhores ferramentas que a humanidade já construiu para resolver problemas difíceis, e seu poder e confiabilidade continuam avançando. Mesmo assim, ainda existem problemas computacionais importantes que mesmo esses gigantes nunca serão capazes de resolver, devido à dificuldade computacional inerente desses problemas.

Conexões com o mundo físico

Os computadores têm muitos usos. Um uso importante dos computadores é aprender sobre o mundo físico e entender melhor seus padrões. Usos históricos nessa categoria incluíram a previsão de eclipses e marés, o entendimento do movimento de corpos astronômicos e (em tempos um pouco mais recentes) a modelagem de explosões. Hoje, dificilmente existe um laboratório de física no mundo sem um computador.

De forma mais geral, física e computação sempre estiveram entrelaçadas. A computação não pode existir no vácuo: a informação requer um meio, e para computar precisamos aproveitar o mundo físico de alguma forma. Rolf Landauer, um cientista da computação (e funcionário da IBM), reconheceu décadas atrás que a informação é física, existindo apenas por meio de uma representação física. O princípio de Landauer estabelece uma conexão entre informação e as leis da termodinâmica, mas na verdade há muitas conexões.

Entender o mundo físico é o objetivo da física como disciplina, mas na verdade é uma via de mão dupla. Por meio da nossa compreensão do mundo físico, somos capazes de aproveitar novas tecnologias para nos ajudar a computar, e por meio delas continuamos aprendendo sobre o mundo físico — essencialmente elevando física e tecnologia computacional pelos próprios bootstraps.

A Lei de Moore

A Lei de Moore é uma observação de que o número máximo de transistores em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada 2 anos. Ao longo das últimas 5 décadas, não só observamos essa tendência, mas também colhemos seus frutos. Com mais transistores em um chip podemos realizar computações mais complexas e fazê-las mais rapidamente. É por isso que os computadores têm se tornado cada vez mais poderosos ao longo do tempo.

No entanto, a "lei" de Moore está, por necessidade, chegando ao fim. Os especialistas discordam sobre quando isso vai acontecer, e alguns argumentam que já aconteceu. Mas sabemos com certeza que inevitavelmente deve terminar porque há um limite teórico para a miniaturização dos componentes de computação. Não podemos fazer um transistor menor que um átomo! Embora isso possa soar exagerado, é essa a barreira que estamos nos aproximando.

A solução não é desistir e dizer: "Bom, é o melhor que dá pra fazer." Isso vai contra a natureza humana. Em vez disso, devemos buscar no mundo físico novas ferramentas computacionais, que é onde a computação quântica entra em cena.

Computação quântica

Mecânica quântica e computação

A mecânica quântica foi descoberta no início do século XX e já desempenhou um papel importante na computação. De fato, nossa compreensão da mecânica quântica tornou possível, em parte, os computadores modernos. Sem a mecânica quântica, por exemplo, é difícil imaginar que o HD de estado sólido tivesse sido inventado.

Computação quântica na teoria

Quando Richard Feynman propôs pela primeira vez a noção de um computador quântico em 1982, seu foco era na simulação de sistemas quânticos mecânicos. Os cálculos necessários para isso pareciam muito difíceis para computadores comuns — mas talvez, com um computador que opera de acordo com uma descrição quântica mecânica do mundo, os sistemas pudessem ser emulados diretamente.

Hoje, esse é um dos caminhos mais promissores para a computação quântica. Até onde entendemos, a Natureza não é clássica — ela é quântica. E, portanto, os computadores quânticos podem ser ferramentas valiosas para compreendê-la. Computadores clássicos, por outro lado, só conseguem aproximar o que realmente ocorre na Natureza, e em alguns casos essas aproximações são muito limitadas.

Uma forma de pensar sobre isso é através de uma analogia com túneis de vento. A dinâmica dos fluidos é notoriamente difícil de simular e prever matematicamente. Por exemplo, é muito custoso e impraticável simular um carro dirigindo contra o vento, então os fabricantes de carros realmente constroem túneis com vento soprando e dirigem carros por eles para testar seu desempenho. Ou seja, eles criam vento em vez de simulá-lo. Construir um computador quântico para estudar o mundo físico é como construir um túnel de vento para estudar como o vento afeta os carros. Os computadores quânticos podem emular diretamente as leis da Natureza em nível molecular porque agem de acordo com essas leis, o que significa que eles emulam a Natureza em vez de simulá-la por meio de fórmulas e cálculos.

Outros seguiram as ideias de Feynman — e as relacionaram com uma teoria de informação quântica que já estava em desenvolvimento. O campo de informação e computação quântica nasceu. Desde então, desenvolveu-se em um rico campo multidisciplinar de estudo, e inúmeras vantagens do quântico sobre a informação e computação clássica foram identificadas em uma grande variedade de contextos teóricos envolvendo comunicação, computação e criptografia.

Computação quântica na prática

Em termos práticos, duas coisas são necessárias para transferir esses tipos de vantagens teóricas para vantagens no mundo real: os dispositivos em si e as metodologias para desbloquear seu potencial.

Ao contrário dos computadores clássicos, ninguém tem um computador quântico guardado no bolso. Até muito recentemente, se você queria experimentar com um computador quântico, precisava construir e manter um por conta própria (geralmente em um triste laboratório no subsolo de uma universidade ou instituição de pesquisa) e teria apenas alguns poucos qubits, muito ruidosos, no máximo. Isso não é mais o caso. Em 2016, o IBM Quantum® colocou o primeiro processador quântico na nuvem. Ele tinha apenas 5 qubits e taxas de erros bastante altas, mas chegamos longe desde então. Vamos resumir o estado atual da tecnologia em uma seção abaixo.

Além de construir computadores quânticos, também precisamos desenvolver metodologias para usá-los de forma eficaz. Embora os avanços teóricos em algoritmos e protocolos quânticos sugiram um forte potencial, o desafio de encontrar usos práticos para a computação quântica ainda está diante de nós. Os computadores quânticos de hoje ainda não conseguem realizar as computações tolerantes a falhas necessárias para transferir vantagens teóricas conhecidas para vantagens práticas. Mas estão além do alcance das simulações de computadores clássicos, e podemos tentar aproveitar esse fato para obter poder computacional.

Com esses avanços, temos uma nova ferramenta para computação, e cabe a nós descobrir o que podemos fazer com ela.

Aplicações potenciais

Não se espera que a computação quântica seja útil para estudar como os carros se saem no vento. Mas existem outros processos físicos — como os envolvidos no design de baterias ou em certas reações químicas — onde a capacidade de um computador quântico de emular a Natureza poderia levar a uma vantagem quântica. De forma mais geral, existem muitos problemas difíceis ou caros até mesmo para supercomputadores de ponta, incluindo problemas altamente relevantes para a nossa sociedade. A computação quântica pode não oferecer soluções para todos eles, mas poderia oferecer soluções para alguns.

As três áreas de aplicação a seguir representam alvos na área de computação quântica ruidosa, antes da implementação de correção de erros quânticos e tolerância a falhas.

• Otimização
• Simulando a Natureza
• Encontrando estrutura nos dados (incluindo aprendizado de máquina)

Discutiremos esses tópicos com mais detalhes mais adiante no curso.

Estado da tecnologia

Construir computadores quânticos é um desafio tecnológico difícil, e faz apenas 8 anos que pequenos computadores quânticos estão disponíveis ao público. Nesses 8 anos, fizemos progressos em muitas frentes.

Vários processadores quânticos IBM agora são acessíveis pela nuvem, todos com mais de 100 qubits. Mas não é apenas o tamanho dos processadores que importa — isso é apenas uma métrica que nos interessa. A qualidade das portas também melhorou dramaticamente, e também introduzimos métodos de redução e mitigação de erros intrínsecos aos sistemas quânticos, mesmo enquanto avançamos em direção à criação de sistemas tolerantes a falhas. Três métricas básicas — escala, qualidade e velocidade — são vitais para acompanhar a melhoria do desempenho.

• Tamanho. Mais qubits são obviamente melhores, mas somente se o aumento no número não degradar o desempenho (o que pode acontecer). Na prática, queremos mais qubits de boa qualidade que não interfiram uns com os outros por crosstalk quando não queremos que isso aconteça. A forma como os qubits são conectados uns aos outros também é importante, e descobrir a melhor forma de fazer isso representa um desafio para circuitos de qubits supercondutores.

• Qualidade. Outra métrica importante que observamos, para acompanhar a melhoria do desempenho ao longo do tempo, é a fidelidade das portas de 2 qubits. Portas que rodam em qubits únicos não são tão suscetíveis a erros quanto as portas de 2 qubits, que são, portanto, a maior preocupação. (Portas de 2 qubits também são cruciais porque são responsáveis por criar entrelaçamento entre os qubits, o que é hipotetizado como um dos fenômenos físicos que dão à computação quântica seu poder.)

• Velocidade. Por último, velocidade e eficiência. Em resumo, o tempo gasto executando um programa (incluindo partes quânticas e clássicas) deve ser o menor possível.

Conclusão

É realmente um momento empolgante para trabalhar no campo da computação quântica: pela primeira vez na história podemos começar a explorar uma região da computação que vai além da computação clássica.

T.J. Watson uma vez previu de forma famosa um mercado mundial para apenas alguns poucos computadores. Podemos rir agora de quão errado ele estava — mas ao fazer isso, devemos reconhecer que temos o benefício da retrospectiva. E também devemos reconhecer que, como humanos, temos uma tendência geral a subestimar enormemente o potencial das tecnologias futuras. Agora que é nossa vez e assumimos papéis como pioneiros da computação quântica, devemos ter isso em mente.

A computação quântica é frequentemente contrastada com a computação clássica, como algo distintamente diferente dela e em competição com ela. Mas sob uma perspectiva mais ampla, podemos ver a computação quântica simplesmente como mais um capítulo em uma longa história. É da nossa natureza como humanos buscar novas formas de computar e aproveitar o poder que o mundo natural nos oferece para fazer isso. Fazemos isso há séculos. A computação quântica nos oferece uma nova ferramenta nessa jornada e cabe a nós descobrir como podemos aproveitar o poder que ela nos oferece.