Avanços da Tecnologia Quântica? Teria isso relação com o “Q”?

 Quando dois pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH Zurich)  anunciaram em abril  que simularam com sucesso um circuito quântico de quatorze quilos, a comunidade científica tomou conhecimento: foi a maior simulação de um computador quântico e um passo mais próximo para simular a “supremacia quântica” – o ponto em que os computadores quânticos se tornam mais poderosos do que os computadores comuns.

Os cálculos foram realizados no National Science Research Scientific Computing Center (NERSC), um Escritório do Departamento de Ciência do Departamento de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA. Os pesquisadores Thomas  Häner  e Damien Steiger, ambos Ph.D. estudantes da ETH usaram 8,192 dos 9,688 processadores da Intel Xeon Phi no mais novo supercomputador da NERSC, Cori, para apoiar esta simulação, a maior série que eles executaram na NERSC para o projeto.

A “computação quântica” tem sido objeto de pesquisas dedicadas há décadas e com uma boa razão: os computadores quânticos têm o potencial de quebrar técnicas comuns de criptografia e simular sistemas quânticos em uma fração do tempo que levaria nos computadores atuais “clássicos”. Eles fazem isso alavancando os estados quânticos de partículas para armazenar informações em qubits (bits quânticos), uma unidade de informação quântica semelhante a um bit regular na computação clássica. Melhor ainda, qubits tem um poder secreto: eles podem executar mais de um cálculo por vez. Um qubit pode realizar dois cálculos em uma superposição quântica, dois podem realizar quatro, três oito, e assim por diante, com um aumento exponencial correspondente no paralelismo quântico. Contudo, o aproveitamento deste paralelismo quântico é difícil, pois observar o estado quântico faz com que o sistema colapse em apenas uma resposta.

Então, quão perto estamos a perceber um verdadeiro protótipo de trabalho? Em geral, pensa-se que um computador quântico que implanta 49 qubits – uma unidade de informação quântica – poderá combinar o poder de computação dos supercomputadores mais poderosos de hoje. Para este fim,   as simulações de Häner e Steiger ajudarão a compararmos e a calibrarem computadores quânticos de quantum, levando a cabo experiências de supremacia quântica com esses dispositivos iniciais e comparando-os com seus resultados de simulação. Entretanto, estamos vendo um aumento nos investimentos em tecnologia de computação quântica dos gostos de Google, IBM e outras empresas líderes de tecnologia – mesmo a Volkswagen – o que poderia acelerar dramaticamente o processo de desenvolvimento.

SIMULAÇÃO E EMULAÇÃO DE COMPUTADORES QUÂNTICOS

Tanto a emulação como a simulação são importantes para a calibração, validação e benchmarking de hardware e arquiteturas de computação quântica emergentes. Em um  artigo  apresentado no SC16,  Häner  e Steiger escreveram: “Embora os computadores quânticos em grande escala ainda não estejam disponíveis, seu desempenho pode ser inferido usando estruturas de compilação quântica e estimativas de especificações de hardware em potencial. No entanto, sem testar e depurar programas quânticos em problemas de pequena escala, sua correção não pode ser considerada como adquirida. Simuladores e emuladores … são essenciais para resolver essa necessidade “.

Esse documento discutiu a emulação de circuitos quânticos – uma representação comum de programas quânticos – enquanto o papel de 45 quitações concentra-se na simulação de circuitos quânticos. A emulação só é possível para certos tipos de sub-rotinas quânticas, enquanto a simulação de circuitos quânticos é um método geral que também permite a inclusão dos efeitos do ruído. Tais simulações podem ser muito desafiadoras mesmo nos supercomputadores mais rápidos de hoje,  Häner e Steiger explicou. Para a simulação de 45 qubit, por exemplo, eles usaram a maior parte da memória disponível em cada um dos 8,192 nós. “Isso aumenta significativamente a probabilidade de falha do nó, e não poderíamos esperar para executar o sistema completo por mais de uma hora sem falhas”, disseram. “Portanto, tivemos que reduzir o tempo de solução em todas as escalas (nível de nó e nível de cluster) para alcançar essa simulação”.

A otimização do simulador de circuito quântico foi a chave. Häner  e Steiger empregaram a geração automática de código, otimizaram os kernels de computação e aplicaram um algoritmo de agendamento aos circuitos de supremacia quântica, reduzindo assim a comunicação de nó-a-nó requerida. Durante o processo de otimização, eles trabalharam com a equipe da NERSC e usaram o Modelo de Telhado de Berkeley Lab para identificar áreas potenciais onde o desempenho poderia ser impulsionado.

Além da simulação de 45 qubit, que usou 0,5 petabytes de memória no Cori e alcançou uma performance de 0,428 petaflops, eles também simularam circuitos quânticos de 30, 36 e 42 quidades. Quando compararam os resultados com simulações de circuitos de 30 e 36 bits executados no sistema Edison da NERSC, eles descobriram que as simulações de Edison também funcionaram mais rápido.

“Nossas otimizações melhoraram o desempenho – o número de operações de ponto flutuante por tempo – em 10x para Edison e entre 10x e 20x para Cori (dependendo do circuito para simular e o tamanho por nó)”, disse  Häner  e Steiger. “O tempo de solução diminuiu mais de 12x quando comparado aos tempos de uma simulação similar relatada em um artigo recente  sobre a supremacia quântica da Boixo e colaboradores, o que possibilitou a simulação de 45 quits”.

Olhando para frente, a dupla está interessada em realizar mais simulações de circuitos quânticos na NERSC para determinar o desempenho de computadores quânticos de quantum que resolvem problemas quiméricos quânticos. Eles também esperam usar unidades de estado sólido para armazenar funções de onda maiores e, assim, tentar simular ainda mais qubits.