O “Ocelot” da Caltech se torna o mais recente avanço na supressão de erros em computação quântica

No ano passado, a McKinsey & Company publicou um relatório abrangente delineando a trajetória futura da computação quântica. O relatório foi ambiciosamente intitulado ‘The Rise of Quantum Computing’. No entanto, as ambições não eram infundadas.

A McKinsey afirmou que a jornada rumo à Computação Quântica foi impulsionada pelo ritmo acelerado dos avanços tecnológicos, pelo aumento do fluxo de investimentos e pela proliferação do ecossistema de startups.

Todos esses fatores foram responsáveis por levar líderes empresariais a planejar estratégias robustas de computação quântica. A análise atualizada da McKinsey para o terceiro Monitor Anual de Tecnologia Quântica revela que quatro setores — químicos, ciências da vida, finanças e mobilidade — provavelmente sentirão o impacto mais precoce da computação quântica e poderão ganhar até US$ 2 trilhões até 2035.

Para que a Computação Quântica cresça como a McKinsey imagina, seria necessário um ecossistema de inovação próspero. Em um dos avanços mais avançados nesse sentido, cientistas do AWS Center for Quantum Computing no campus da Caltech¹ descobriram uma forma de suprimir erros em computadores quânticos — um problema que pode se tornar o maior obstáculo na construção de máquinas quânticas prontas para o futuro. 

Qual era o ‘Problema’?

Construir um computador quântico de uso geral que vá além do estudo de áreas de física de nicho continua sendo um desafio devido à sua sensibilidade inerente ao ruído. Pesquisadores descobriram que vibrações, calor, interferência eletromagnética de telefones celulares e redes Wi‑Fi, e até mesmo raios cósmicos e radiação do espaço podem derrubar os qubits — bits quânticos — tirando-os de seu estado quântico e causando muito mais erros do que computadores clássicos.

Para detalhar com mais precisão científica, a pesquisa, intitulada Hardware‑Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits, trabalha para construir computadores quânticos que incorporariam correção de erros quânticos. Ela teria um qubit lógico codificado de forma redundante em muitos qubits físicos ruidosos.

Ocelot: A Solução

Em termos mais simples, a equipe de cientistas da AWS e da Caltech demonstrou uma nova arquitetura de chip quântico para suprimir erros usando um tipo de qubit conhecido como cat qubit.

Cat Qubits não são novos; foram propostos pela primeira vez em 2001. Desde então, pesquisadores os desenvolveram e refinam continuamente. O avanço para a equipe veio com a criação do primeiro chip escalável de cat qubits, projetado para reduzir eficientemente os erros quânticos. O chip foi chamado Ocelot em referência ao felino selvagem manchado, ao mesmo tempo que faz alusão à tecnologia interna de “oscilador” que sustenta os cat qubits.

De acordo com os pesquisadores, as taxas de erro precisam ser um bilhão de vezes melhores do que são hoje. Só então os computadores quânticos poderiam ser considerados bem‑sucedidos. A nova invenção ajudaria a alcançar essa meta mais rapidamente:

Segundo Oskar Painter (PhD’ 01), John G Braun é professor de física aplicada e física na Caltech e chefe de hardware quântico na AWS:

“As taxas de erro têm diminuído cerca de um fator de dois a cada dois anos. Nesse ritmo, levaria 70 anos para chegarmos onde precisamos estar. Em vez disso, estamos desenvolvendo uma nova arquitetura de chip que pode nos levar lá mais rápido. Dito isso, este é um bloco de construção inicial. Ainda temos muito trabalho a fazer.”

Os pesquisadores, ao destacar as limitações das tecnologias de qubits atuais, afirmam que elas podem exigir milhares de qubits adicionais para proporcionar o nível desejado de proteção contra erros, o que é semelhante a veículos de mídia que empregam um enorme edifício de verificadores de fatos para validar a precisão de seus artigos em vez de apenas uma pequena equipe. Isso faz com que o processo se torne insustentável devido ao custo excessivo de sobrecarga.

Fernando Brandão, Bren Professor de Física Teórica na Caltech e diretor de ciência aplicada na AWS, reconhece esse problema. Ele diz:

“Portanto, estamos tentando novas abordagens de correção de erros que reduzirão a sobrecarga.”

A Tecnologia de Oscilação na Base do Ocelot

A equipe utiliza um tipo de qubit formado por circuitos supercondutores feitos de osciladores de micro‑ondas, onde os estados 1 e 0 — que representam o qubit — são definidos como duas amplitudes de oscilação de grande escala distintas. Essa abordagem visa tornar os estados do qubit estáveis e imunes a erros de inversão de bit.

Uma vez tratados os erros de inversão de bit, o outro erro que resta corrigir é o erro de inversão de fase. Para detectar erros de fase, o chip Ocelot emprega quatro qubits auxiliares.

O código de repetição simples da equipe é eficaz na captura dos erros de inversão de fase e melhora à medida que o código aumenta de três cat qubits para cinco cat qubits.

O Caminho a Seguir para a Pesquisa

Atualmente, a demonstração está em fase de prova de conceito. Mas os pesquisadores envolvidos no processo, como Painter, estão entusiasmados com o desempenho que o Ocelot demonstrou. Ele diz:

“É um problema muito difícil de enfrentar, e precisaremos continuar a investir em pesquisa básica enquanto permanecemos conectados e aprendendo com o trabalho importante que está sendo feito na academia.”

Como Painter insinuou, essas melhorias precisam de patrocinadores corporativos. É necessário investimento para escalar. Nos segmentos a seguir, discutimos algumas dessas empresas que estão realizando trabalhos significativos no campo da Computação Quântica.

1. IBM (IBM )

A IBM, gigante tecnológico reverenciada globalmente, continua comprometida em tornar a computação quântica prática para o mundo. Ela opera uma divisão dedicada, IBM Quantum, que oferece acesso à maior frota de computadores quânticos do mundo via Qiskit — uma plataforma que fornece ferramentas de software e serviços para criar um modelo de programação holístico para utilidade.

O QuantumSafe da IBM, por exemplo, protege uma empresa para o futuro quântico, oferecendo seus sistemas de 127 qubits gratuitamente. Além disso, a plataforma fornece acesso a sistemas, documentação e recursos de aprendizado, tudo em um único local.

A empresa está comprometida em tornar a computação quântica responsável. A missão da empresa nesse sentido é ser “o catalisador para fazer o mundo funcionar melhor”, e ela mantém uma Iniciativa de Quantum Responsável para garantir que nosso desenvolvimento esteja alinhado com essa missão.

Segundo a IBM, Computação Quântica Responsável é a computação quântica que está ciente de seus efeitos. A empresa elaborou cinco Princípios de Quantum Responsável para desenvolver e implantar tecnologia quântica que a equipe segue internamente. Esses princípios são os seguintes:

• Gerar um impacto positivo na sociedade.
• Explorar casos de uso com visão de futuro.
• Promover os produtos da IBM com precisão
• Tomar decisões consistentes e baseadas em princípios
• Construir uma comunidade quântica diversa e inclusiva

Com progresso constante ao longo da IBM Quantum™ Roadmap, a empresa está aprimorando sua plataforma quântica para oferecer serviços em nuvem de nível empresarial.

Mais especificamente, a empresa está atualizando sua infraestrutura para nível empresarial. Contudo, para permanecer fluida para seus usuários legados, a IBM garantirá que a versão final da nova IBM Quantum Platform será muito semelhante à versão que usamos atualmente.

A empresa assegurará que os usuários continuem tendo acesso à documentação e aos recursos de aprendizado que tradicionalmente hospeda. Entretanto, a atualização aumentará o valor com desempenho aprimorado e recursos poderosos.

Entre os recursos específicos, a atualização trará maior privacidade e segurança de dados, uma experiência de notificações simplificada, melhor navegação na plataforma, múltiplas opções de idioma para usuários que falam línguas diferentes do inglês, etc.

Para níveis aprimorados de acessibilidade pública, a IBM criou uma Quantum Network. A rede apoia empresas, universidades, laboratórios e líderes da indústria em suas jornadas para avançar a utilidade quântica. Os membros ganham acesso a recursos de aprendizado, especialistas e eventos para acelerar a pesquisa e fomentar a colaboração.

No último exercício financeiro, a IBM registrou uma receita de US$ 62,8 bilhões, alta de 1 por cento, 3 por cento em moeda constante.

Ao comentar seus resultados, Arvind Krishna, presidente e CEO da IBM, disse:

“Há três anos, definimos uma visão para uma IBM de crescimento mais rápido e mais lucrativa. Estou orgulhoso do trabalho que a equipe da IBM realizou para cumprir ou superar nossos compromissos. Com nossa estratégia focada, portfólio aprimorado e cultura de inovação, estamos bem posicionados para 2025 e além, e esperamos um crescimento de receita de pelo menos cinco por cento e fluxo de caixa livre de cerca de US$ 13,5 bilhões este ano.”

2. Microsoft (MSFT )

Outro gigante tecnológico que realiza trabalhos pioneiros no campo da computação quântica é a Microsoft. Sua visão é acelerar a descoberta científica por meio de tecnologia avançada líder de mercado que impulsione a descoberta científica.

A Microsoft oferece quatro soluções quânticas:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Uma plataforma que habilita uma nova geração de aplicações quânticas.
• Azure Quantum Elements: Uma solução construída especificamente para acelerar a descoberta científica.
• Quantum Hardware: Solução voltada para desbloquear um supercomputador quântico em escala.
• Quantum Networking: Uma solução que permite computação quântica distribuída com uma rede quântica

Se analisarmos essas soluções sob a ótica de seus usuários, diferentes soluções fornecem diferentes serviços. Por exemplo, através da Microsoft Quantum Compute Platform, é possível obter acesso a hardware quântico de ponta, qubits lógicos confiáveis, modelos avançados de IA e simulações de HPC para acelerar descobertas científicas.

A solução Azure Quantum Elements ajuda a acelerar a descoberta científica para química e ciência de materiais por meio de Computação de Alto Desempenho, Inteligência Artificial e um futuro computador quântico.

Por meio do Microsoft Quantum Hardware, a empresa está projetando um supercomputador quântico que permitirá ao mundo enfrentar problemas como reverter as mudanças climáticas e melhorar a segurança alimentar.

Finalmente, através do Microsoft Quantum Networking, a empresa pretende oferecer capacidades de rede quântica para escalar clusters quânticos e habilitar novas aplicações relacionadas à segurança.

Se aprofundarmos no Microsoft Quantum Hardware, perceberemos que ele realmente representa um avanço. É um avanço porque introduz a computação quântica apenas por medição — uma forma fundamentalmente mais simples de controlar a informação quântica.

Alimentado por um Núcleo Topológico, o processador da Microsoft foi projetado para escalar até um milhão de qubits — poder computacional suficiente para enfrentar os desafios mais difíceis da humanidade em energia, medicina e além.

Nesse sentido, pode‑se consultar o artigo da Microsoft, publicado na Nature, intitulado ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

No geral, o Microsoft Quantum Hardware se apoia nos seguintes pilares fundamentais:

• Escalabilidade: A solução foi projetada para viabilizar computação quântica útil
• Estabilidade: É resistente a erros ao nível de hardware.
• Compactação: O hardware é capaz de acomodar mais de um milhão de qubits em um único chip.
• Velocidade: Executa operações em menos de 1 microssegundo por operação.
• Controlabilidade: Seus pulsos de tensão fornecem controle digital preciso.

Se analisarmos os recursos principais do Azure Quantum Elements, sua química generativa aproveita o poder da IA generativa para simplificar enormemente a descoberta e o design de novas moléculas com propriedades desejadas. O recurso DFT acelerado determina as propriedades de moléculas com milhares de átomos em horas, proporcionando um aumento substancial de velocidade em relação a outros códigos DFT.

Além disso, o ecossistema aberto ajuda a utilizar soluções de software familiares otimizadas para o Azure Quantum Elements.

O Azure Quantum Elements da Microsoft ajudou várias instituições de pesquisa e empresas a entregar soluções para o futuro. Por exemplo, a Unilever aproveitou o poder da supercomputação e dos serviços de IA da Microsoft para apoiar sua transformação de P&D e inovação de produtos.

A Microsoft e o Pacific Northwest National Laboratory uniram forças para identificar um novo material com potencial para baterias melhores. A empresa colaborou com a AspenTech para projetar um fluxo de trabalho de química quântica. Também se juntou à Johnson Matthey para acelerar a inovação em células de combustível de hidrogênio com o Azure Quantum.

A Microsoft e a 1910 Genetics fizeram parceria para turbinar a produtividade de P&D na indústria farmacêutica, enquanto colaborou com a InQuanto para acelerar a química computacional quântica. No conjunto, a Microsoft desempenhou um papel fundamental ao demonstrar como a Computação Quântica pode se tornar eficientemente útil para um futuro robusto e eficiente.

Em 2024, ano que marcou o 50.º aniversário da Microsoft como empresa. A empresa entregou mais de US$ 245 bilhões em receita anual, alta de 16 por cento em relação ao ano anterior, e mais de US$ 109 bilhões em lucro operacional, alta de 24 por cento. A empresa afirmou categoricamente que está focada em incubar produtos técnicos e soluções de suporte com potencial transformador para o futuro da computação em nuvem e crescimento contínuo da empresa, como computação quântica e IA avançada para a ciência.

Enquanto grandes empresas de tecnologia fazem o melhor que podem, a pesquisa institucional não fica para trás. Iniciamos nossa discussão com um desses avanços de pesquisa, e concluiremos com mais alguns.

Clique aqui para aprender sobre o estado atual da computação quântica.

Mais Sobre Pesquisas em Computação Quântica

Google Quantum AI e colaboradores publicaram sua pesquisa na Nature em dezembro de 2024. Ela recebeu o título Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

A pesquisa abordou a questão da correção de erros quânticos, um caminho chave para a computação quântica prática. Ao combinar múltiplos qubits físicos em um qubit lógico, essa abordagem suprime exponencialmente a taxa de erro lógico à medida que mais qubits são adicionados.

Como resultado, os pesquisadores apresentaram duas memórias de código de superfície abaixo do limiar em sua mais nova geração de processadores supercondutores, Willow, um código de distância‑7 e um código de distância‑5 integrados com um decodificador em tempo real.

Os resultados foram significativos. O sistema manteve desempenho abaixo do limiar ao decodificar em tempo real, alcançando uma latência média do decodificador de 63 microssegundos em distâncias de cinco até um milhão de ciclos, com um tempo de ciclo de 1,1 microssegundo. Os pesquisadores alegaram que sua pesquisa indica que, se escalada, o desempenho do dispositivo poderia atender aos requisitos operacionais de algoritmos quânticos tolerantes a falhas em larga escala.

Em 2022, mantendo o foco na correção de erros, pesquisadores da IBM exploraram um código chamado gross code, um novo tipo de código que pode armazenar informação quântica de forma livre de erros com uma fração da sobrecarga de hardware. Isso poderia levar a correção de erros com sobrecarga significativamente menor.

Em um artigo publicado na Nature, a IBM buscou especificamente memória quântica tolerante a falhas com baixa sobrecarga de qubits, alto limiar de erro e grande distância de código. A empresa afirmou que sua análise matemática encontrou exemplos concretos de códigos qLDPC que atendem a todas as condições de serem tolerantes a falhas, possuir memória quântica, alto limiar de erro, grande distância de código e baixa sobrecarga de qubits.

A empresa alegou que seu código se enquadra em uma família de códigos chamada “Bivariate Bicycle (BB)”. Eles vão moldar não apenas a pesquisa futura da IBM, mas também como arquitetamos sistemas físicos quânticos.

No conjunto, há amplo espaço para realizar progresso constante na busca da vantagem quântica. Investimentos públicos globais em tecnologia quântica atingiram US$ 42 bilhões em 2023, com a China liderando os rankings com um investimento governamental anunciado de US$ 15,3 bilhões.

Seguiram‑se Alemanha, Reino Unido, Estados Unidos e Coreia do Sul, entre outros. O fato de economias tecnologicamente avançadas estarem investindo mais em Computação Quântica e tecnologias relacionadas é uma prova de que seu escopo é enorme. O que vemos agora pode ser apenas a ponta do iceberg.

Clique aqui para uma lista das cinco principais empresas de computação quântica.