O Que é Computação Quântica?

Os computadores quânticos, ainda em seus primórdios, estão influenciando uma nova geração de simulações que já estão sendo executadas em computadores clássicos e agora são aceleradas com o SDK NVIDIA cuQuantum.
por Chris Porter

Vinte e sete anos antes de Steve Jobs revelar um computador que cabia no bolso, Paul Benioff publicou um artigo mostrando que teoricamente era possível criar um sistema muito mais potente que você poderia guardar em um dedal: um computador quântico.

O conceito descrito por Benioff em 1980, que recebeu o nome da partícula subatômica que se propunha a usar, gera pesquisas até hoje, como projetos voltados para o próximo grande avanço na computação: um sistema que faria um PC parecer tão obsoleto quanto um ábaco.

Vencedor do Prêmio Nobel, Richard Feynman apresentou palestras geniais que levaram a física para um público mais amplo e ajudou a estabelecer o campo, mostrando como esses sistemas poderiam simular fenômenos quânticos complexos com mais eficiência do que os computadores tradicionais.

O Que é Computação Quântica?

A computação quântica usa a física que rege partículas subatômicas para realizar cálculos paralelos sofisticados, substituindo transistores mais simplistas nos computadores atuais.

Os computadores quânticos realizam cálculos usando qubits, unidades de computação que podem ser positivas, ou negativas, ou ter qualquer valor intermediário, em vez dos bits de computadores tradicionais, que podem ser positivos ou negativos, 1 ou 0. A capacidade do qubit de ocupar esse estado intermediário, chamada de superposição, é um poderoso recurso para a computação, o que faz com que os computadores quânticos sejam melhores para alguns tipos de cálculo.

A Brief Guide to Quantum Computing

O Que um Computador Quântico Faz?

Com qubits, os computadores quânticos podem efetuar cálculos que os computadores clássicos levariam horas, isto é, se eles conseguissem realizá-los.

Os computadores atuais, por exemplo, usam 8 bits para representar qualquer número entre 0 e 255. Graças a recursos como a superposição, um computador quântico pode usar 8 qubits para representar cada número entre 0 e 255 simultaneamente.

É um recurso como o paralelismo na computação: todas as possibilidades são calculadas ao mesmo tempo, e não sequencialmente, proporcionando uma aceleração incrível.

Assim, ao passo que um computador clássico realiza longos cálculos de divisão por etapas para decompor um número grande, um computador quântico pode obter a resposta em uma única etapa. Voilà!

Em resumo, os computadores quânticos podem mudar campos inteiros, como a criptografia, que são baseados na decomposição do que hoje são considerados números extremamente grandes.

Um Grande Papel para Simulações Minúsculas

Talvez esse seja só o começo. Alguns especialistas acreditam que os computadores quânticos superarão obstáculos que hoje impedem simulações na química, na ciência de materiais e em qualquer área com mundos construídos a partir das nanopartículas da mecânica quântica.

Os computadores quânticos podem até mesmo ampliar a vida dos semicondutores, ajudando engenheiros a criar simulações mais precisas dos efeitos quânticos identificados em transistores pequenos atualmente.

Os especialistas afirmam que os computadores quânticos não substituirão os computadores clássicos; na verdade, eles os complementarão. Alguns estimam que os computadores quânticos serão usados como aceleradores, assim como as GPUs aceleram os computadores atuais.

Como Funciona a Computação Quântica?

Não vá achando que pode construir seu próprio computador quântico como um PC montado em casa, com peças compradas na seção de ofertas das lojas de eletrônicos da cidade.

Os sistemas usados atualmente precisam de uma refrigeração que cria ambientes de trabalho com temperaturas pouco acima de zero. Eles precisam dessa computação ártica para preservar os estados quânticos frágeis que fazem os sistemas funcionarem.

Só para você ter uma ideia do quão difícil é montar um computador quântico, há um protótipo que suspende um átomo entre dois lasers para criar um qubit. Agora vá tentar fazer isso em casa.

A computação quântica exige músculos nano-hercúleos para criar algo chamado entrelaçamento. É quando dois ou mais qubits existem em um único estado quântico, uma condição às vezes medida por ondas eletromagnéticas de 1 mm de tamanho.

Se a energia nessa onda aumentasse um milímetro sequer, seria o fim do entrelaçamento, ou da superposição, ou de ambos. O resultado é um estado confuso chamado de decoerência, o equivalente na computação quântica à tela azul da morte.

Qual é a Situação dos Computadores Quânticos?

Atualmente, algumas empresas, como Alibaba, Google, Honeywell, IBM, IonQ e Xanadu, usam versões rudimentares de computadores quânticos.

No momento, eles processam dezenas de qubits, mas essas unidades podem ser confusas e, às vezes, até não confiáveis. Para solucionar problemas reais com segurança, os sistemas precisam de dezenas ou centenas de milhares de qubits.

Os especialistas acreditam que pode levar algumas décadas até chegarmos a uma era de alta fidelidade em que os computadores quânticos serão úteis de fato.

Quantum computing: Number of Qubits vs Time
Os computadores quânticos estão aos poucos começando a ser usados comercialmente. (Fonte: palestra Lieven Vandersypen no ISSCC 2017).

Ainda não se sabe quando chegaremos à chamada supremacia da computação quântica, quando os computadores quânticos executarem tarefas que os clássicos não conseguem, e o assunto ainda gera bastante discussão no setor.

Acelerando Simulações de Circuitos Quânticos na Atualidade

A boa notícia é que o mundo da AI e do machine learning destacou aceleradores como as GPUs, que podem realizar vários tipos de operações que os computadores quânticos executariam com qubits.

Os computadores clássicos já estão encontrando formas de gerar simulações quânticas com as GPUs atualmente. A NVIDIA, por exemplo, fez uma simulação quântica inovadora no Selene, nosso supercomputador de AI.

Na apresentação no GTC, a NVIDIA anunciou o SDK cuQuantum, que acelera simulações de circuitos quânticos em execução em GPUs. Os primeiros resultados sugerem que o cuQuantum poderá oferecer uma aceleração significativa.

O SDK é uma solução independente, trazendo opções de ferramentas que os usuários podem escolher de acordo com seu caso. O método de vetor de estado, por exemplo, oferece resultados de alta fidelidade, mas os requisitos de memória estão aumentando consideravelmente com o número de qubits.

O limite prático dos maiores supercomputadores clássicos existentes é de aproximadamente 50 qubits. Porém, observamos ótimos resultados (abaixo) quando usamos o cuQuantum para acelerar simulações de circuitos quânticos com esse método.

Quantum State Vector Results
Vetor de estado: 1.000 circuitos, 36 qubits, profundidade m = 10, complexa, 64 | CPU: Qiskit em dois AMD EPYC 7742 | GPU: Qgate no DGX A100

Os pesquisadores do Jülich Supercomputing Centre explicou em detalhes seu trabalho com o método de vetor de estado na sessão E31941 do GTC (inscrição gratuita).

Há uma abordagem mais nova que usa menos memória e mais computação para realizar tarefas semelhantes: simulações de redes de tensores.

Com esse método, a NVIDIA e a Caltech aceleraram um simulador de circuitos quânticos de última geração usando o cuQuantum executado em GPUs NVIDIA A100 Tensor Core. Ele gerou uma amostra da simulação de um circuito completo do Google Sycamore em 9,3 minutos no Selene, uma tarefa que, há 18 meses, os especialistas achavam que levaria dias usando milhões de núcleos de CPU.

Quantum Tensor Chart
Rede de tensores: 53 qubits, profundidade m = 20 | CPU: Quimb em dois AMD EPYC 7742, estimativa | GPU: Quimb no DGX-A100

“Com os pacotes Cotengra/Quimb, o recente SDK cuQuantum da NVIDIA e o supercomputador Selene, geramos uma amostra do circuito quântico Sycamore na profundidade m = 20 em tempo recorde: menos de 10 minutos”, afirmou Johnnie Gray, Cientista e Pesquisador da Caltech.

“É um novo benchmark de desempenho para simulações de circuitos quânticos que contribuirá para o desenvolvimento do campo de computação quântica aumentando a capacidade de verificar o comportamento dos circuitos quânticos”, declarou Garnet Chan, Professor de Química da Caltech, onde fica o laboratório que realizou o projeto.

A NVIDIA espera que o aumento de desempenho e a facilidade de uso do cuQuantum façam dele um elemento fundamental nos frameworks e simuladores de computação quântica mais atuais dessa área de pesquisa.

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