O enorme processador quântico 'Kookaburra' da IBM pode pousar em 2025

Dê uma olhada mais de perto no objetivo ambicioso da IBM de tornar a computação quântica mais poderosa e mais prática.

BYCHARLOTTE HU | Publicado em 10 de maio de 2022 19:00

Os supercomputadores clássicos de hoje podem fazer muito.Mas como seus cálculos são limitados a estados binários de 0 ou 1, eles podem lutar com problemas enormemente complexos, como simulações de ciências naturais.É aqui que os computadores quânticos, que podem representar informações como 0, 1 ou possivelmente ambos ao mesmo tempo, podem ter uma vantagem.

No ano passado, a IBM estreou um chip de computação de 127 quits e uma estrutura chamada IBM Quantum System Dois, destinada a abrigar componentes como o Cryostat, a fiação e a eletrônica do lustre para esses chips maiores na linha.Esses desenvolvimentos conseguiram a IBM à frente de outras grandes empresas de tecnologia, como Google e Microsoft, na corrida para construir o computador quântico mais poderoso.Hoje, a empresa está lançando seu plano de três anos para chegar além de 4.000 qubits até 2025 com um processador que está chamando de “Kookaburra."Veja como está planejando chegar lá.

Para ampliar suas habilidades de processamento para qubits, a IBM desenvolverá o desenvolvimento nos componentes de hardware e software para os chips quânticos.O primeiro a vir é um novo processador chamado Heron, que possui 133 qubits.Além de ter mais qubits, o Chip Heron tem um design diferente do seu antecessor, Eagle.“Na verdade, nos permite obter uma fração muito maior de portões de 2 quits em funcionamento.Ele está usando uma nova arquitetura chamada Tunable Couplers ", diz Jerry Chow, diretor de desenvolvimento do sistema de hardware quântico da IBM Quantum.

"Junto com este plano para este novo processador para Heron, queremos poder ter várias garças que são todas endereçáveis por meio de uma arquitetura de controle", acrescenta ele."Queremos poder ter uma comunicação clássica ligada a esses chips e processadores enquanto os estamos construindo.”

Melhor controle no nível do portão

Antes que você possa entender o que é um qubit, você precisa entender o que é um pouco e o que é um portão também.Em computadores clássicos, as informações são codificadas como bits binários (0 ou 1).Transistores são interruptores que controlam o fluxo de elétrons.Os transistores estão conectados a vários eletrodos, incluindo um eletrodo de portão.Alterar a carga elétrica no eletrodo do portão controla se o transistor está no estado 1 ou desligado, no estado 0.Mudanças físicas para esses estados permitem que os computadores codifiquem informações.Os portões lógicos são compostos por um arranjo específico de transistores.Um monte de transistores pode criar um circuito integrado que pode armazenar pedaços de dados.Esses circuitos estão todos interconectados na superfície de um chip.

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Qubits funcionam de maneira diferente dos bits, e os portões quânticos funcionam de maneira diferente dos portões clássicos.Ao contrário dos bits clássicos, que podem ter um valor de 1 ou 0, nas condições certas, os qubits podem permanecer no estado de superposição quântica, semelhante a ondas, que representa uma combinação de todas as configurações possíveis-0, 1 ou ambas no mesmoTempo.Os fótons de microondas de disparo em frequências específicas de qubits permitem que os pesquisadores controlem seu comportamento, que pode ser manter, alterar ou ler unidades de informações quânticas.

Infelizmente, os qubits são bastante frágeis: eles são sensíveis ao calor, instáveis e propensos a erros.Quando os qubits conversam entre si ou com a fiação em seu ambiente, eles podem perder suas propriedades quânticas, tornando os cálculos menos precisos.Ao descrever quanto tempo eles podem permanecer em seus estados de superposição, os especialistas se referem ao seu “tempo de coerência.”O tempo de coerência e quanto tempo leva para fazer um portão define o limite do tamanho de um cálculo quântico que você pode fazer com um conjunto de qubits.

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"A maneira como estamos projetando nossos processadores atuais, Falcon, Hummingbird, Eagle, usamos o acoplamento fixo entre os qubits, e usamos um portão cruzado de 2 quits à base de microondas", diz Chow.Nesses casos, eles estavam usando diferentes frequências para conversar com o qubit correspondente.Agora, eles estão adicionando "controles de campo magnéticos individualizados para os acopladores entre os qubits", diz Chow, o que lhes permite ativar interações qubit com as variadas frequências de microondas.

Múltiplos processadores quânticos conectados

Os computadores clássicos têm núcleos, que são grupos de transistores que podem executar várias tarefas em paralelo.Você pode imaginá -lo como tendo vários registros de checkout abertos em um supermercado em vez de fazer com que todos se alinhem para um.As CPUs que oferecem vários núcleos, ou multi-threading, podem dividir uma grande tarefa em peças menores que podem ser alimentadas com os diferentes núcleos para processamento.

Agora, a IBM quer aplicar esse conceito à computação quântica também, através de uma técnica chamada circuito de tricô."Isso efetivamente leva grandes circuitos quânticos, encontra maneiras de dividi -los em circuitos quânticos menores e digestíveis, que podem ser quase paralelos atravessados por vários processadores", explica Chow."Com essa paralelização clássica, aumenta os tipos de problemas e recursos que somos capazes de abordar.”A paralelização também pode ser útil para diminuir as taxas de erro.

Esta ramificação de design é separada do desenvolvimento de Osprey ou Condor, que estão a caminho de atingir 433 e 1.121 qubits, respectivamente, nos próximos anos.“Mas também queremos ter alguma modularidade embutida que nos permitirá aumentar ainda mais.Em algum nível, apenas a quantidade do número de qubits que poderemos embalar em um único chip começará a ficar limitado ", diz Chow."Estamos testando alguns desses limites com Osprey e com Condor atualmente.”

Com a Heron, a idéia é que os engenheiros testem maneiras de estabelecer links quânticos em vários chips quânticos."Estamos explorando o que chamamos de acopladores modularmente que nos permitirão efetivamente ter vários chips conectados", diz Chow diz.Isso criará o que é essencialmente um processador coerente quântico maior composto por três chips quânticos individuais com o mesmo processador quântico subjacente.Para esse fim, a IBM espera acoplar três chips em um sistema de 408 quits, chamado Crossbill, em 2024.

Para escalar ainda mais, a IBM também está trabalhando em acopladores de longo alcance que podem conectar grupos de processadores quânticos por meio de um cabo criogênico de comprimento (os qubits supercondutores precisam ser mantidos muito frios)."Estamos chamando isso de link de comunicação inter-quantum", diz Chow, e isso pode estender conexões quânticas coerentes dentro do ambiente criogênico compartilhado.

Combinando paralelização, conexão chip-chip e acoplamento de longo alcance é o que poderia permitir que eles atinjam sua meta de 2025 de um sistema de 4.158 quits: o Kookaburra.

Combinando computação clássica com computação quântica

Ir Quantum não significa redesenhar um computador inteiro desde o início.Grande parte do sistema quântico é executado em infraestrutura de computação clássica."A maneira como normalmente temos nossos sistemas é que você tem seu processador quântico dentro da geladeira e está constantemente conversando com isso com a infraestrutura clássica", diz Chow.“A infraestrutura clássica está gerando esses pulsos de microondas, gerando as leituras.Quando você programa um circuito, ele apenas se transforma nessa orquestração de portões, operações que vão para os chips.”

Mas, em vez de ter apenas processadores quânticos, um controlador também pode alimentar processadores clássicos, como CPUs e GPUs, que seriam conectados em paralelo ao chip quântico, mas não de qualquer maneira quântica.Dessa forma, pode fazer aplicativos roscados utilizando poderes de computação clássica e quântica.

"O processador quântico está fornecendo um recurso diferente de uma GPU ou uma CPU super grande", diz Chow.“Mas no geral, a coisa toda será algo que parece um supercomputador que ainda é orquestrado juntos.”

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Na visão da IBM do futuro da computação, as máquinas terão componentes que podem executar circuitos quânticos no hardware quântico.No entanto, esse componente será costurado com memória clássica e infraestrutura clássica.Esse tipo de estrutura híbrida pode ser usada para problemas como simulações moleculares, que utilizam um algoritmo híbrido clássico quântico chamado de eigensol de variação.

Software quântico

Os circuitos quânticos não são como circuitos clássicos.A lógica para os portões é diferente, e o idioma para os algoritmos é diferente.

Quando o primeiro computador quântico da IBM foi lançado na nuvem em 2016, ele veio com um idioma de montagem, chamado OpenQasm, que foi usado para criar programas.No próximo ano, a IBM integrará "circuitos dinâmicos" que podem medir qubits e processar informações clássicas simultaneamente em sua biblioteca OpenQasm 3.Esta também é uma melhoria de hardware que depende de eletrônicos de controle aprimorados e melhores mensagens em tempo real entre o lado de controle do circuito e o lado da medição.Pode permitir mais correções de erros e verificações de paridade.

A codificação da linguagem básica para esses tipos de operações formará primitivas, ou os elementos básicos de computação de um algoritmo, os quais farão parte da plataforma Qiskit Runtime da IBM, um serviço de computação e modelo de programação para cálculos quânticos.O Qiskit contém diferentes níveis de linguagens de montagem para desenvolvedores de kernel que podem ter que trabalhar com o código e o hardware e uma API na pilha Qiskit para que os desenvolvedores de algoritmo trabalhem sem servidor sem servidor.

"Nesse nível mais alto para desenvolvedores de algoritmos, você não precisa se preocupar em executá -lo em nenhum back -end em particular quando tiver esse ambiente em nuvem onde pode acessar as CPUs, GPUs e QPUs, todos orquestrados juntos", diz Chow diz.“Isso nos permite usar os recursos clássicos em conjunto com nossos recursos quânticos para lidar com alguns dos maiores problemas de circuito quântico - ones que podem estar pressionando coisas como vantagem quântica.”

Charlotte é o editor de tecnologia assistente da Popular Science.Ela está interessada em entender como nosso relacionamento com a tecnologia está mudando e como vivemos online.Entre em contato com o autor aqui.

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