Dentro brevemente
- Os pesquisadores relatam que conectaram dois processadores quânticos de 127 qubits usando comunicação em tempo real, criando efetivamente um sistema de 142 qubits capaz de computar além dos limites de um único processador.
- O experimento usou circuitos flexíveis e disjuntores para superar as limitações de hardware, demonstrando a computação quântica modular com redução aprimorada de erros.
- A pesquisa estabelece as bases para sistemas quânticos incontroláveis, aborda desafios na conectividade qubit e sugere integração futura de redes quânticas para comunicação rápida e paralela.
Conectar computadores quânticos – chamado modularidade – pode ajudar a criar sistemas quânticos poderosos e escaláveis. Embora possa parecer tão simples quanto unir um cabo, na verdade é muito mais complicado. Problemas, incluindo latência – atrasos na transferência e processamento de dados – podem introduzir erros que prejudicam as estatísticas.
Agora, pesquisadores liderados pela IBM Quantum relatam que podem ter encontrado uma maneira de fazer dois processadores quânticos que podem trabalhar juntos como um só, conectando-os por meio de um link de comunicação em tempo real. Segundo a equipe, este trabalho, publicado na Nature, representa um passo importante em direção à computação quântica modular, abordando limitações e limitações de comunicação que há muito atormentam a área.
Descobertas e implicações
A pesquisa mostrou que, ao conectar duas unidades de processamento quântico (QPUs) de 127 qubits com uma conexão primitiva, os cientistas podem construir com sucesso um sistema de 142 qubits capaz de lidar com cálculos além dos limites de um único processador. Essa configuração também introduz uma redução aprimorada de erros, o que aumenta a capacidade do sistema de executar tarefas complexas, como representar graficamente regiões com condições de contorno periódicas – um feito que excede as capacidades de um dispositivo independente.
Os resultados, se comprovados, poderão ser importantes para a ciência quântica e a indústria quântica. Os computadores quânticos de hoje são limitados pelo número de qubits em um único chip e pela conectividade planar – como os qubits são organizados em uma estrutura plana em forma de grade – desses qubits. Esta pesquisa fornece um caminho a seguir, mostrando que vários processadores podem ser conectados e usados como um sistema unificado.
É possível que este trabalho vá mais longe e crie sistemas modulares que poderão um dia levar a computadores quânticos tolerantes a falhas, o que poderá ser importante para aplicações em áreas como criptografia, detecção de objetos e inteligência artificial.
Circuitos Dinâmicos, Técnicas de Projeto de Circuitos
Os pesquisadores relatam que contam com circuitos dinâmicos, uma técnica de computação quântica de ponta que permite controlar tarefas em tempo real com base em resultados intermediários de medição. Esta abordagem torna a computação quântica mais flexível, permitindo correções de movimento no plano durante o tempo de emaranhamento dos qubits – necessário devido à natureza frágil dos estados quânticos.
Outra técnica importante usada foi o fatiamento de circuito, que envolve a divisão de grandes circuitos quânticos em subcircuitos menores e controláveis. Esses subcircuitos são executados individualmente e os resultados são recombinados usando cálculos clássicos. Este método atinge algumas das limitações dos processadores individuais, mantendo a integridade do computador. Neste estudo, os cientistas usaram “pares Bell de corte” – estados quânticos que atuam como conexões ópticas entre processadores – para permitir cálculos envolvendo ambos os dispositivos.
Os processadores comunicam-se através de um link primitivo, que transmite os resultados das medições no meio do circuito para controlar dinamicamente as operações subsequentes. A redução de erros desempenhou um papel fundamental neste processo, com técnicas como o desacoplamento adaptativo e a saída de ruído zero ajudando a lidar com os atrasos introduzidos pelo link de comunicação tradicional.
Resultados em Contexto
O foco do estudo, claro, foi criar um estado do gráfico que combinasse dois processadores. Os estados do gráfico, um estado quântico complexo útil em uma variedade de aplicações, muitas vezes exigem que os qubits sejam conectados de maneiras que excedem as limitações físicas de um único processador, de acordo com os pesquisadores. Ao conectar duas QPUs, os pesquisadores conseguiram simular a comunicação necessária para esses cálculos.
Os testes mostraram que seu método pode fornecer resultados com alta precisão. As taxas de erro foram significativamente mais baixas em comparação com métodos tradicionais, como o uso de gateways para simular comunicações, mostra o estudo. A integração de circuitos adaptativos melhorou ainda mais o desempenho do sistema, permitindo que os processadores trabalhassem juntos apesar da separação física.
Além de suas conquistas técnicas, os pesquisadores forneceram uma prova de conceito para a computação quântica modular. Ao sincronizar firmemente os sistemas de controle dos dois processadores, eles demonstraram que os sistemas quânticos distribuídos podem operar como uma máquina única e unificada.
Desafios e Limitações Restantes
Tal como acontece com todos os estudos, existem alguns desafios pela frente antes que isto passe do laboratório para a proverbial sala de estar. Um link de comunicação tradicional, embora eficiente, pode sofrer problemas de latência que podem degradar o desempenho. Embora as técnicas de redução de erros tenham ajudado a resolver este problema, os pesquisadores podem precisar satisfazer o gargalo de latência para dimensionar tais sistemas. Além disso, o corte de região, que é a base do método, apresenta um alto custo computacional. O processo requer o uso de um grande número de subcircuitos – uma compensação conhecida como sobreamostragem. Este tópico aumenta significativamente com a complexidade do circuito, limitando a escalabilidade.
Outra limitação: o link clássico usado neste experimento, embora funcione para aplicações de curto prazo, pode não ter a velocidade e a convergência de um link quântico. Os sistemas futuros provavelmente exigirão comunicação quântica, que pode transferir circuitos diretamente entre processadores, eliminando muitos dos desafios associados à comunicação tradicional.
Direções futuras
Os pesquisadores identificaram diversas estratégias para melhorar e ampliar seu método. A redução das altas taxas de amostragem associadas ao corte regional é uma prioridade. Novos algoritmos e técnicas podem reduzir o número de subcircuitos necessários, tornando o processo mais eficiente.
Outra abordagem promissora é o desenvolvimento de conexões quânticas, conforme mencionado na seção de limitações. Estes poderiam substituir links clássicos por links quânticos que transmitem circuitos atrasados, permitindo comunicação rápida e compacta entre processadores. Tecnologias como a transdução óptica ou de micro-ondas podem desempenhar um papel na criação desta ligação, embora subsistam grandes obstáculos técnicos.
A redução de erros também continuará a ser um foco. Melhorias em técnicas como desembrulhamento adaptativo e extração sem ruído podem reduzir o impacto da latência e melhorar a qualidade geral da computação.
A equipe incluiu cientistas baseados na IBM Quantum e na IBM Research Europe. Isto inclui Almudena Carrera Vazquez, Stefan Woerner e Daniel J. Egger, que colaboraram na concepção e implementação de aspectos-chave do estudo. Caroline Tornow é afiliada à IBM Research Europe e ao Instituto de Física Teórica da ETH Zurique. Diego Ristè contribuiu para o IBM Quantum na IBM Research Cambridge e Maika Takita está associada ao IBM Quantum no TJ Watson Research Center.
Por favor, revise o artigo para se aprofundar nos aspectos técnicos do trabalho que este breve ensaio não pode cobrir.
