Colaboração fornece catalisador para aceleração quântica

O Prêmio Nobel de Física de 2022 reconheceu os experimentos pioneiros de Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger que, pela primeira vez, demonstraram o potencial dos sistemas quânticos para processar informações. Várias décadas depois, cientistas e engenheiros da indústria e da academia estão aproveitando essas conquistas para criar computadores quânticos funcionais que oferecem um vislumbre tentador de seu potencial para lidar com problemas complexos em uma variedade de aplicações.

Embora o progresso até o momento tenha sido impressionante, muito mais trabalho é necessário para criar computadores quânticos que possam superar seus equivalentes clássicos. Os processadores quânticos de pequena escala de hoje estão empurrando o número de qubits para a faixa de 100 a 1000, mas são afetados por ruídos e erros que limitam suas capacidades computacionais. Ampliar a tecnologia para alcançar uma ampla vantagem quântica exigirá engenhosidade científica e know-how de engenharia em muitas disciplinas diferentes, bem como uma estreita colaboração entre os setores acadêmico e comercial.

No Reino Unido, essa colaboração foi conduzida por meio do Programa Nacional de Tecnologias Quantum (NQTP), uma iniciativa de £ 1 bilhão que desde 2014 tem apoiado centros de tecnologia em sensoriamento quântico, imagem, comunicações e computação. “Temos um rico ecossistema que está trabalhando em conjunto para aumentar a escala de computadores quânticos para fornecer aplicativos úteis”, diz Elham Kashefi, professor de computação quântica da Universidade de Edimburgo e diretor de pesquisa do CNRS na Universidade Sorbonne, em Paris.

Kashefi acaba de ser nomeado Cientista-Chefe do Reino Unido Centro Nacional de Computação Quântica (NQCC), uma instalação nacional lançada em 2020 como um programa emblemático do NQTP. O NQCC visa acelerar a entrega de computação quântica no Reino Unido, em parceria com grupos de pesquisa e o setor comercial para enfrentar os desafios de dimensionamento.

“Parte da minha função no NQCC será reunir desenvolvedores de aplicativos e usuários finais para impulsionar o desenvolvimento de dispositivos úteis”, diz Kashefi. “Agora estamos no estágio em que os requisitos de algoritmos podem influenciar o design do hardware, permitindo-nos fechar a lacuna entre o caso de uso desejado e a máquina emergente.”

Com formação em ciência da computação, Kashefi há muito defende o papel que o software e os algoritmos podem desempenhar no desenvolvimento de soluções quânticas. Ela coordenou o programa de pesquisa de software dentro da Hub de Computação e Simulação Quântica (QCS), um consórcio de universidades do Reino Unido apoiado pelo NQTP que se concentra nos desafios científicos críticos para a computação quântica. O hub tem sido a plataforma de lançamento de várias empresas iniciantes que defendem diferentes soluções de hardware e software e agora trabalha com o NQCC para aumentar o ecossistema de computação quântica do Reino Unido, traduzindo os pontos fortes da pesquisa em tecnologias inovadoras.

Como parte de sua nova função, Kashefi trabalhará com o NQCC para estabelecer um Laboratório de Software Quântico na Universidade de Edimburgo, uma iniciativa central que ampliará ainda mais a presença nacional do programa do NQCC. “O desafio de escalabilidade que enfrentamos agora com os qubits físicos é um problema que a ciência da computação e o software de aplicativos podem ajudar a resolver”, diz ela. “Podemos otimizar os requisitos para os qubits ao co-desenvolver o software e os sistemas de controle para atender às necessidades do aplicativo”.

Esse co-desenvolvimento exige uma abordagem multidisciplinar que combina o conhecimento de hardware quântico e processamento de informações com a experiência de matemáticos e cientistas da computação que entendem como lidar com problemas computacionais complexos.

“A conexão com a riqueza de conhecimento que temos na ciência da computação clássica nos permitirá otimizar arquiteturas de sistemas e sistemas de controle, bem como protocolos para mitigação e correção de erros, para obter o melhor resultado das plataformas de hardware”, diz Kashefi. “Por exemplo, as pessoas que trabalham com computação de alto desempenho passaram muito tempo descobrindo como resolver problemas de otimização, e suas contribuições ajudarão a acelerar o desenvolvimento de soluções quânticas que oferecem uma vantagem computacional”.

Um caminho promissor é o desenvolvimento de abordagens híbridas que combinam dispositivos quânticos emergentes com infraestrutura de computação clássica. A título de exemplo, o NQCC é parceiro no Colaboração QuPharma, um projeto de £ 6.8 milhões que visa reduzir radicalmente o tempo necessário para executar simulações moleculares para a descoberta de drogas.

Liderado pelo desenvolvedor de hardware SEEQC Reino Unido e envolvendo a gigante farmacêutica alemã Merck KgaA, o projeto visa combinar o processador quântico do SEEQC com um supercomputador clássico para criar uma plataforma mais poderosa para o design de medicamentos. “Precisamos entender os pontos problemáticos da indústria para que possamos traduzi-los em problemas de pesquisa que a computação quântica possa resolver”, aponta Kashefi.

Esses projetos colaborativos baseiam-se na experiência científica do setor acadêmico do Reino Unido, que tem alimentado pesquisas de classe mundial em teoria quântica, software e algoritmos, bem como trabalho experimental investigando todas as principais arquiteturas qubit.

“Como alguém focado em aplicativos e verificação, fiquei emocionado por ter acesso a plataformas qubit que vão desde circuitos supercondutores e íons aprisionados até fotônica e dispositivos baseados em silício”, diz Kashefi. “Quando escrevemos o código, precisamos estar cientes das capacidades e limitações de cada plataforma qubit, pois alguns aplicativos podem ser mais adequados ao modelo de ruído ou conectividade oferecida por uma solução de hardware específica.”

A indústria quântica emergente também se beneficia da força da base científica no Reino Unido, com muitas start-ups quânticas mantendo vínculos estreitos com seus antigos grupos de pesquisa para avançar a tecnologia e acelerar seus programas de desenvolvimento.

“O setor acadêmico atua como uma fábrica de ideias”, diz David Lucas, investigador principal do QCS Hub e colíder do grupo de computação quântica de íons presos na Universidade de Oxford. “Ampliar a tecnologia é um desafio de engenharia que vai além das capacidades de um único departamento de pesquisa de uma universidade.” De fato, um papel fundamental para o NQCC é fornecer a infraestrutura e facilitar a colaboração necessária para enfrentar esses desafios de engenharia.

Essa sinergia entre a indústria e a academia foi particularmente eficaz no desenvolvimento da plataforma Maxwell, um sistema comercial de computação quântica de átomo neutro demonstrado por M ao quadrado, desenvolvedora de fotônica e tecnologias quânticas, no Reino Unido Mostra Nacional de Tecnologias Quânticas em novembro de 2022. A versão atual do sistema pode suportar 100 qubits, e o CEO da M Squared, Graeme Malcolm, diz que há um caminho claro para dimensionar a tecnologia para 400 qubits e além.

“Para criar o Maxwell, formamos uma parceria estratégica com a Universidade de Strathclyde, que forneceu à nossa empresa acesso à física inovadora de classe mundial”, diz Malcolm. “Tem sido ótimo ter um departamento universitário tão forte bem à nossa porta, no qual podemos nos apoiar para obter conhecimentos especializados, enquanto conseguimos trazer a capacidade de engenharia necessária para desenvolver um produto confiável.”

Maxwell é baseado em uma arquitetura qubit de átomo neutro aperfeiçoada por Jonathan Pritchard e sua equipe de pesquisa em Strathclyde. A plataforma experimental, que conta com a tecnologia de núcleo de laser da M Squared para manipular transições de energia em átomos ultrafrios, foi desenvolvida por meio de uma EPSRC Prosperity Partnership chamada Quadrado.

“Trabalhamos em estreita colaboração com os engenheiros fotônicos da M Squared para otimizar o desempenho dos lasers e, em alguns casos, para projetar novos dispositivos adaptados aos processos atômicos específicos de que precisamos”, diz Pritchard. Enquanto isso, o desenvolvimento do sistema comercial foi possibilitado pela DESCUBRA programa, um projeto de £ 10 milhões coordenado pela M Squared e apoiado pelo programa Quantum Technologies Challenge da Innovate UK para enfrentar as barreiras tecnológicas à computação quântica comercial.

Uma das próximas etapas da colaboração será trabalhar com Andrew Daley, especialista em simulação e computação quântica da Universidade de Strathclyde, para desenvolver algoritmos quânticos que demonstrem a capacidade da plataforma. Em 2021, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Harvard, nos EUA, mostrou que um sistema de átomos neutros composto por 256 qubits poderia ser usado para simular e observar o comportamento quântico de sistemas de muitos corpos e, no início deste ano, a equipe usou um sistema de 289 qubits. versão para demonstrar um caminho para a vantagem quântica para uma classe específica de algoritmos quânticos analógicos.

“O sistema que desenvolvemos com a Universidade de Strathclyde é competitivo com os melhores computadores quânticos de átomos neutros do mundo”, diz Malcolm. “Agora queremos colocar alguns desses algoritmos no hardware que demonstramos e estabelecer parcerias para ver onde ele pode oferecer valor para os desafios do mundo real.”

Essa necessidade de implementar protocolos robustos de benchmarking e certificação é outra prioridade importante para Kashefi e o NQCC. Dentro de seu próprio programa de pesquisa, Kashefi concentrou-se no desenvolvimento de ferramentas para verificação e teste, o que ela acredita que ajudará a acelerar o desenvolvimento das tecnologias mais promissoras.

“Quando surgem diferentes dispositivos, precisamos saber como avaliá-los e como comparar seu desempenho com outras plataformas”, diz ela. “Uma estrutura de teste confiável fornece feedback crucial que nos permitirá fazer uma transição mais rápida para um novo regime.”

Em 2021, o NQCC encomendou Via Fluvial, especialista em algoritmos e software quânticos, para desenvolver um conjunto de benchmarking para permitir comparações de desempenho entre diferentes tipos de processadores quânticos. Um consórcio liderado pelo National Physical Laboratory também está investigando as principais métricas para a computação quântica, com o objetivo de desenvolver padrões abertos para sustentar o desenvolvimento tecnológico internacional. “O NQCC não está tentando impulsionar nenhuma solução de hardware em particular, mas ser capaz de comparar diferentes plataformas será realmente útil para estimular nosso próprio programa de desenvolvimento, bem como o ecossistema mais amplo”, diz Kashefi.

Esse benchmarking também permitirá entender onde as soluções quânticas oferecem uma vantagem genuína sobre as arquiteturas de computação clássicas. “A computação quântica é uma tecnologia incrível e revolucionária, mas, em última análise, é apenas mais uma ferramenta computacional”, continua Kashefi. “O benchmarking adequado nos permitirá entender quais tarefas são mais adequadas para um computador clássico e quais podem ser aprimoradas por uma solução quântica”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/