A Amazon Web Services anunciou o Ocelot, seu chip de computação quântica de primeira geração. Embora o chip tenha apenas capacidades computacionais rudimentares, a empresa afirma que se trata de uma demonstração de prova de conceito — um passo no caminho para a criação de uma máquina maior que possa cumprir as promessas das aplicações revolucionárias da indústria, como simulações rápidas e precisas de novos materiais para baterias.
“Este é um primeiro protótipo que demonstra que essa arquitetura é escalável e eficiente em termos de hardware”, afirma Oskar Painter, chefe de hardware quântico da AWS, unidade de computação em nuvem da Amazon. Em particular, a empresa diz que sua abordagem torna mais simples a realização da correção de erros, um dos principais desafios técnicos no desenvolvimento da computação quântica.
O Ocelot consiste em nove bits quânticos, ou qubits, em um chip de aproximadamente um centímetro quadrado, que, como algumas formas de hardware quântico, precisa ser resfriado criogenicamente até quase o zero absoluto para funcionar. Cinco dos nove qubits são um tipo de hardware que a área chama de “qubit de gato”, nomeado em referência ao experimento mental do século 20, o Gato de Schrödinger, no qual um gato invisível dentro de uma caixa pode ser considerado simultaneamente vivo e morto. Essa superposição de estados é um conceito fundamental na computação quântica.
Os qubits de gato da AWS são pequenas estruturas ocas de tântalo que contêm radiação de micro-ondas, acopladas a um chip de silício. Os quatro qubits restantes são transmons—cada um sendo um circuito elétrico feito de material supercondutor. Nessa arquitetura, a AWS usa os qubits de gato para armazenar informações, enquanto os qubits transmons monitoram essas informações. Isso diferencia sua tecnologia dos computadores quânticos do Google e da IBM, cujas partes computacionais são todas compostas por transmons.
Notavelmente, os pesquisadores da AWS usaram o Ocelot para implementar uma forma mais eficiente de correção de erros quânticos. Assim como qualquer computador, os computadores quânticos cometem erros. Sem correção, esses erros se acumulam, resultando na incapacidade das máquinas atuais de executar com precisão os longos algoritmos necessários para aplicações úteis. “A única maneira de se obter um computador quântico realmente útil é implementar a correção de erros quânticos”, explica Painter.
Infelizmente, os algoritmos necessários para a correção de erros quânticos normalmente exigem grandes quantidades de hardware. No ano passado, o Google codificou um único bit de informação corrigido de erros usando 105 qubits.
A estratégia de design da Amazon requer apenas um décimo dessa quantidade de qubits por bit de informação, afirma Painter. Em um estudo publicado na Nature na quarta-feira, a equipe codificou um único bit de informação corrigido de erros nos nove qubits do Ocelot. Teoricamente, esse design de hardware deve ser mais fácil de escalar para uma máquina maior do que um design composto apenas por transmons, diz Painter.
Esse design, que combina qubits de gato e transmons, torna a correção de erros mais simples, reduzindo o número de qubits necessários, afirma Shruti Puri, física da Universidade de Yale que não esteve envolvida no estudo. (Puri trabalha em meio período para outra empresa que desenvolve computadores quânticos, mas falou à MIT Technology Review em sua capacidade acadêmica.)
“Basicamente, você pode decompor todos os erros quânticos em dois tipos — trocas de bits e trocas de fase”, diz Puri. Computadores quânticos representam a informação como 1s, 0s e probabilidades, ou superposições, de ambos. Uma troca de bits, que também ocorre na computação convencional, acontece quando o computador codifica erroneamente um 1 no lugar de um 0, ou vice-versa. No caso da computação quântica, a troca de bits ocorre quando o computador codifica a probabilidade de um 0 como a probabilidade de um 1, ou vice-versa. Uma troca de fase é um tipo de erro exclusivo da computação quântica, relacionado às propriedades ondulatórias do qubit.
O design cat-transmon permitiu que a Amazon projetasse o computador quântico de forma que qualquer erro fosse predominantemente uma troca de fase. Isso significava que a empresa poderia usar um algoritmo de correção de erros muito mais simples do que o do Google — um que não exigia tantos qubits. “A economia de hardware vem do fato de que você precisa corrigir principalmente um tipo de erro”, explica Puri. “O outro erro acontece muito raramente.”
A economia de hardware também decorre da implementação cuidadosa da AWS de uma operação conhecida como porta C-NOT, realizada durante a correção de erros. Os pesquisadores da Amazon demonstraram que a operação C-NOT não introduzia erros de troca de bits de forma desproporcional. Isso significava que, após cada rodada de correção de erros, o computador quântico continuava cometendo predominantemente erros de troca de fase, permitindo que o código de correção de erros simples e eficiente em hardware continuasse sendo usado.
A AWS começou a trabalhar nos designs para o Ocelot já em 2021, diz Painter. Seu desenvolvimento foi um “problema de pilha completa”. Para criar qubits de alto desempenho que pudessem, eventualmente, executar a correção de erros, os pesquisadores tiveram que descobrir uma nova maneira de cultivar tântalo — o material de que seus qubits de gato são feitos — em um chip de silício com o menor número possível de defeitos em escala atômica.
É um avanço significativo o fato de que a AWS agora consegue fabricar e controlar múltiplos qubits de gato em um único dispositivo, observa Puri. “Qualquer trabalho que vise expandir novos tipos de qubits, na minha opinião, é interessante”, afirma. Ainda assim, há anos de desenvolvimento pela frente. Outros especialistas preveem que os computadores quânticos precisarão de milhares, senão milhões, de qubits para realizar uma tarefa útil. “O trabalho da Amazon é um primeiro passo”, diz Puri.
Ela acrescenta que os pesquisadores precisarão reduzir ainda mais a fração de erros de troca de bits à medida que aumentam o número de qubits.
Mesmo assim, este anúncio marca o caminho que a Amazon pretende seguir. “Esta é uma arquitetura na qual acreditamos”, afirma Painter. Anteriormente, a principal estratégia da empresa era investir em qubits transmons convencionais, como os do Google e da IBM, tratando o projeto dos qubits de gato como um “projeto paralelo secreto”. Agora, decidiram priorizar os qubits de gato. “Ficamos realmente convencidos de que este precisava ser nosso principal esforço de engenharia. Ainda faremos algumas explorações, mas esta é a direção que estamos seguindo.” (A startup francesa Alice & Bob também está construindo um computador quântico feito de qubits de gato.)
No estágio atual, o Ocelot é, basicamente, uma demonstração de memória quântica, diz Painter. O próximo passo é adicionar mais qubits ao chip, codificar mais informações e realizar cálculos reais. Mas há muitos desafios pela frente, desde a conexão de todos os fios até a interligação de múltiplos chips. “Escalar não é algo trivial”, conclui.
Sophia Chen
