Por Jason Zander, vice-presidente executivo de Missões Estratégicas e Tecnologias
Esta quarta-feira, 3 de abril, marca uma grande conquista para todo o ecossistema quântico: a Microsoft e a Quantinuum demonstraram os qubits lógicos mais confiáveis já registrados. Aplicando o inovador sistema de virtualização de qubits da Microsoft, com diagnóstico e correção de erros, em um hardware de armadilha de íons da Quantinuum, executamos mais de 14 mil experimentos individuais sem um único erro. Além disso, demonstramos uma computação quântica mais confiável ao realizar diagnósticos e correções de erros em qubits lógicos sem destruí-los. Isso finalmente nos move do atual nível quântico barulhento de escala intermediária (NISQ – noisy intermediate-scale quantum, em inglês) para o nível 2 de computação quântica resiliente.
Este é um marco crucial em nosso caminho para a construção de um sistema híbrido de supercomputação que pode transformar a pesquisa e a inovação em muitos setores. Isso é possível graças ao avanço coletivo do hardware quântico, virtualização e correção de qubits e aplicativos híbridos que aproveitam o melhor da IA, supercomputação e recursos quânticos. Com um supercomputador híbrido alimentado por 100 qubits lógicos confiáveis, as organizações começariam a ver vantagem científica, enquanto escalar mais perto de 1 mil qubits lógicos confiáveis desbloquearia vantagem comercial.
Recursos avançados baseados nesses qubits lógicos estarão disponíveis em visualização privada para clientes do Azure Quantum Elements nos próximos meses.
Uma plataforma de computação desenvolvida especificamente para a ciência
Muitos dos problemas mais difíceis que a sociedade enfrenta como reverter as mudanças climáticas, enfrentar a insegurança alimentar e resolver a crise energética, são questões relacionadas a química e ciência dos materiais. No entanto, o número de possíveis moléculas e materiais estáveis pode ultrapassar o número de átomos no universo observável. Mesmo um bilhão de anos de computação clássica seria insuficiente para explorar e avaliar todos eles.
É por isso que a promessa do quantum é tão atraente. Computadores quânticos em escala ofereceriam a capacidade de simular as interações de moléculas e átomos no nível quântico para além do alcance dos computadores clássicos, desbloqueando soluções que podem ser um catalisador para mudanças positivas em nosso mundo. No entanto, a computação quântica é apenas uma camada para impulsionar esses insights inovadores.
Seja para turbinar a produtividade farmacêutica ou ser pioneiro na próxima bateria sustentável, acelerar a descoberta científica requer uma plataforma de computação híbrida construída para esse fim. Seja para turbinar a produtividade farmacêutica ou ser pioneiro na próxima bateria sustentável, acelerar a descoberta científica requer uma plataforma de computação híbrida construída para esse fim. Os pesquisadores precisam ter acesso à ferramenta certa no estágio certo de seu pipeline de descoberta para resolver com eficiência todas as camadas de seu problema científico e, assim, gerar insights sobre onde eles são mais importantes. É o que criamos com o Azure Quantum Elements, capacitando as organizações a transformar as áreas de pesquisa e desenvolvimento com recursos que incluem a triagem de conjuntos de dados massivos com IA, a redução de hipóteses com a ajuda da computação de alto desempenho (HPC) ou a melhoria da precisão do modelo com o poder da computação quântica em escala no futuro.
Continuamos a avançar em todas essas tecnologias híbridas para nossos clientes. Com o marco quântico de hoje estabelecemos as bases para simulações úteis, confiáveis e escaláveis da mecânica quântica.
Caminhando rumo à resiliência
Em um artigo que escrevi no LinkedIn, usei uma analogia de “barco furado” para explicar por que a fidelidade e a correção de erros são tão importantes para a computação quântica. Em resumo, fidelidade é o valor que usamos para medir com qual confiabilidade um computador quântico pode produzir um resultado significativo. Somente com boa fidelidade teremos uma base sólida para escalar de forma confiável uma máquina quântica que possa resolver problemas práticos do mundo real.
Durante anos, uma abordagem usada para consertar esse barco furado foi aumentar o número de qubits físicos barulhentos junto com técnicas para compensar esse ruído, mas ficando aquém dos qubits lógicos reais com taxas de correção de erros superiores. A principal deficiência da maioria das máquinas NISQ atuais é que os qubits físicos são muito barulhentos e propensos a erros para possibilitar uma correção robusta. Os componentes fundamentais da nossa indústria não são bons o suficiente para que a correção de erros quânticos funcione, e é por isso que sistemas NISQ ainda maiores não são práticos para aplicações do mundo real.
A tarefa em mãos para todo o ecossistema quântico é aumentar a fidelidade dos qubits e habilitar a computação quântica tolerante a falhas para que possamos usar uma máquina quântica para desbloquear soluções para problemas até então intratáveis. Em resumo, precisamos fazer a transição para qubits lógicos confiáveis – criados pela combinação de vários qubits físicos juntos em qubits lógicos, para dessa maneira proteger contra o ruído e sustentar uma computação longa (ou seja, resiliente). Só podemos obter isso com um cuidadoso co-design de hardware e software. Ao ter componentes de hardware de alta qualidade e recursos inovadores de tratamento de erros projetados para essa máquina, podemos obter melhores resultados do que qualquer componente individual poderia nos dar. Hoje, fizemos exatamente isso.
“Avanços na correção de erros quânticos e tolerância a falhas são importantes para encontrar o valor de longo prazo da computação quântica para a descoberta científica e a segurança energética. Resultados como esses permitem o desenvolvimento contínuo de sistemas de computação quântica para pesquisa e desenvolvimento.”
Dr. Travis Humble, Diretor do Centro de Ciência Quântica, Oak Ridge National Laboratory
Um avanço ao lidar com erros quânticos
É por esse motivo que hoje é um momento tão histórico: pela primeira vez nos registros da indústria, estamos avançando do Nível 1 Básico para o Nível 2 Resiliente de computação quântica. Agora estamos entrando na próxima fase para a solução de problemas significativos com computadores quânticos confiáveis. Nosso sistema de virtualização de qubit, que filtra e corrige erros, combinado com o hardware da Quantinuum, demonstra a maior lacuna entre as taxas de erro físico e lógico relatadas até o momento. Este é o primeiro sistema demonstrado com quatro qubits lógicos que melhora a taxa de erro lógica sobre a física em uma ordem tão grande de magnitude.
Tão importante quanto, agora também somos capazes de diagnosticar e corrigir erros nos qubits lógicos sem destruí-los – o que é conhecido como “extração de síndrome ativa”. Isso representa um grande passo para a indústria, pois permite uma computação quântica mais confiável.
Com esse sistema, executamos mais de 14 mil experimentos individuais sem um único erro. Você pode ler mais sobre esses resultados aqui.
“A correção de erros quânticos parece, muitas vezes, muito teórica. O que é impressionante aqui é a enorme contribuição que o software midstack, da Microsoft, para otimização de qubit está fazendo para melhorar as taxas de erro. A Microsoft realmente está colocando a teoria em prática.”
Dr. David Shaw, Analista Chefe da Global Quantum Intelligence
Uma colaboração de longa data com a Quantinuum
Desde 2019, a Microsoft tem colaborado com a Quantinuum para permitir que os desenvolvedores quânticos escrevam e executem seu próprio código quântico na tecnologia de qubit de armadilha de íons, que inclui alta fidelidade, conectividade total e medições de circuito médio. Vários testes de benchmark publicados reconhecem a Quantinuum como tendo os melhores volumes quânticos, tornando-a bem-posicionada para entrar no Nível 2.
“Os resultados de hoje marcam uma conquista histórica e são um reflexo maravilhoso de como essa colaboração continua a ultrapassar os limites para o ecossistema quântico. Com a correção de erros de última geração da Microsoft alinhada com o computador quântico mais poderoso do mundo e uma abordagem totalmente integrada, estamos muito animados para a próxima evolução em aplicações quânticas e mal podemos esperar para ver como nossos clientes e parceiros se beneficiarão de nossas soluções, especialmente à medida que avançamos para processadores quânticos em escala.”
Ilyas Khan, fundador e diretor de produtos da Quantinuum
O hardware da Quantinuum tem uma fidelidade física de dois qubits de 99,8%. Isso permite a aplicação do nosso sistema de virtualização de qubit, com diagnóstico e correção de erros, e torna possível o anúncio de hoje. Este sistema quântico, com co-inovação da Microsoft e da Quantinuum, nos introduz no Nível 2 Resiliente.
Pioneirismo conjunto da supercomputação quântica
Na Microsoft, nossa missão é capacitar cada indivíduo e organização a alcançar mais. Trouxemos o melhor hardware NISQ do mundo para a nuvem com nossa plataforma Azure Quantum para que nossos clientes possam embarcar em sua jornada quântica. É por isso que integramos a inteligência artificial com computação quântica e HPC na nuvem na prévia privada do Azure Quantum Elements. Usamos essa plataforma para projetar e demonstrar um fluxo de trabalho de ponta a ponta que integra o Copilot, a computação do Azure e um algoritmo quântico em execução nos processadores Quantinuum para treinar um modelo de IA para previsão de propriedades.
O anúncio de hoje dá continuidade a esse compromisso, avançando o hardware quântico para o Nível 2. Recursos avançados baseados nesses qubits lógicos estarão disponíveis em prévia privada para o Azure Quantum Elements nos próximos meses.
Por fim, continuamos a investir pesadamente em progredir além do Nível 2, escalando para o nível da supercomputação quântica. É por isso que temos defendido nossa abordagem topológica, cuja viabilidade nossa equipe do Azure Quantum demonstrou. No Nível 3, esperamos ser capazes de resolver alguns de nossos problemas mais desafiadores, particularmente em campos como química e ciência dos materiais, desbloqueando novos aplicativos que unem o quantum em escala com o melhor da supercomputação clássica e da IA — todos conectados na nuvem do Azure Quantum.
Estamos entusiasmados em capacitar a genialidade coletiva e tornar esses avanços acessíveis aos nossos clientes. Para obter mais detalhes sobre como alcançamos os resultados de hoje, explore nosso blog técnico e inscreva-se na série Quantum Innovator com a Quantinuum.
Para saber mais sobre este avanço, confira também as publicações técnicas nos blogs do Azure Quantum e da Quantinum (ambas em inglês).