A Quantinuum, empresa sediada nos EUA e no Reino Unido, apresentou o Helios, seu computador quântico de terceira geração, que inclui capacidade ampliada de computação e de correção de erros.
Como todos os outros computadores quânticos existentes, o Helios não é poderoso o suficiente para executar os algoritmos lucrativos com que o setor sonha, como aqueles que seriam úteis para descoberta de materiais ou modelagem financeira. Mas as máquinas da Quantinuum, que usam íons individuais como qubits, podem ser mais fáceis de escalar do que computadores quânticos que usam circuitos supercondutores como qubits, como os do Google e da IBM.
“Helios é um ponto de prova importante no nosso roteiro sobre como vamos escalar para sistemas físicos maiores”, diz Jennifer Strabley, vice-presidente na Quantinuum, formada em 2021 a partir da fusão da Honeywell Quantum Solutions com a Cambridge Quantum. A Honeywell continua sendo a acionista majoritária da Quantinuum.
Localizado na unidade da Quantinuum no Colorado, o Helios é composto por uma miríade de componentes, incluindo espelhos, lasers e fibra óptica. Seu núcleo é um chip do tamanho de uma unha do polegar que contém os íons de bário que servem como qubits, responsáveis pela computação propriamente dita. O Helios faz cálculos com 98 íons de bário por vez; seu antecessor, o H2, usava 56 qubits de itérbio. Os íons de bário são uma atualização, pois se mostraram mais fáceis de controlar do que o itérbio. Esses componentes ficam dentro de uma câmara resfriada para cerca de 15 Kelvin (-432,67 °F), sobre uma mesa óptica. Os usuários podem acessar o computador fazendo login remoto pela nuvem.
Helios codifica informação nos estados quânticos dos íons, que podem representar não apenas 0s e 1s, como os bits na computação clássica, mas combinações probabilísticas de ambos, conhecidas como superposições. Uma marca registrada da computação quântica, esses estados de superposição são semelhantes ao estado de uma moeda girando no ar — nem cara nem coroa, mas com alguma probabilidade de ambos.
A Computação Quântica explora a matemática única de objetos quânticos, como íons, para realizar computações. Defensores da tecnologia acreditam que isso deve viabilizar aplicações comercialmente úteis, como simulações de química altamente precisas para o desenvolvimento de baterias ou melhores algoritmos de otimização para logística e finanças.
Na última década, investigadores em empresas e instituições acadêmicas ao redor do mundo desenvolveram a tecnologia de forma incremental, com bilhões de dólares em financiamento público e privado. Ainda assim, a Computação Quântica está em uma fase adolescente constrangedora. Não está claro quando trará aplicações lucrativas. Mais recentemente, desenvolvedores têm se concentrado em ampliar a escala das máquinas.
Um desafio central para construir um computador quântico mais poderoso é implementar a correção de erros. Como todos os computadores, os computadores quânticos ocasionalmente cometem erros. Computadores clássicos corrigem esses erros armazenando a informação de forma redundante. Devido a peculiaridades da mecânica quântica, computadores quânticos não podem fazer isso e exigem técnicas especiais de correção.
A correção de erros quânticos envolve armazenar uma única unidade de informação em múltiplos qubits, em vez de em um único qubit. Os métodos exatos variam dependendo do hardware específico do computador quântico, com algumas máquinas exigindo mais qubits por unidade de informação do que outras. A indústria chama uma unidade de informação quântica com correção de erros de “qubit lógico”. O Helios precisa de dois íons, ou “qubits físicos”, para criar um qubit lógico.
Isso representa menos qubits físicos do que os necessários em computadores quânticos recentes feitos com circuitos supercondutores. Em 2024, o Google usou 105 qubits físicos para criar um qubit lógico. Neste ano, a IBM usou 12 qubits físicos por qubit lógico, e a Amazon Web Services usou nove qubits físicos para produzir um único qubit lógico. As três empresas utilizam variações de circuitos supercondutores como qubits.
O Helios chama atenção pela precisão de seus qubits, afirma Rajibul Islam, físico da Universidade de Waterloo, no Canadá, que não é afiliado à Quantinuum. As taxas de erro dos qubits do computador já são baixas desde o início, o que significa que ele não precisa dedicar tanto de seu hardware à correção de erros. A Quantinuum fez pares de qubits interagirem em uma operação conhecida como emaranhamento e descobriu que eles se comportaram conforme o esperado em 99,921% das vezes. “Pelo que sei, nenhuma outra plataforma está nesse nível”, diz Islam.
Essa vantagem vem de uma característica de design dos íons. Diferentemente dos circuitos supercondutores, que ficam fixados à superfície de um chip de Computação Quântica, os íons no chip do Helios podem ser movidos. Como os íons podem se deslocar, eles podem interagir com todos os outros íons no computador, uma capacidade conhecida como “conectividade total” (all-to-all connectivity). Essa conectividade permite abordagens de correção de erros que usam menos qubits físicos. Em contraste, qubits supercondutores só podem interagir com seus vizinhos diretos, de modo que uma computação entre dois qubits não adjacentes exige várias etapas intermediárias envolvendo os qubits no meio do caminho. “Está se tornando cada vez mais evidente o quão importante a conectividade total é para esses sistemas de alto desempenho”, afirma Strabley.
Ainda assim, não está claro qual tipo de qubit vencerá no longo prazo. Cada tipo possui benefícios de design que podem, em última instância, torná-lo mais fácil de escalar. Íons (que são usados pela startup americana IonQ, além da Quantinuum) oferecem uma vantagem porque produzem relativamente poucos erros, diz Islam: “Mesmo com menos qubits físicos, é possível fazer mais.” Porém, é mais fácil fabricar qubits supercondutores. E qubits feitos de átomos neutros, como os computadores quânticos construídos pela startup QuEra, sediada em Boston, são “mais fáceis de aprisionar” do que íons, segundo ele.
Além de aumentar o número de qubits em seu chip, outra conquista notável da Quantinuum é ter demonstrado correção de erros “em tempo real” (“on the fly”), afirma David Hayes, diretor de teoria computacional e design da empresa. Essa é uma nova capacidade para suas máquinas. GPUs da Nvidia foram utilizadas para identificar erros nos qubits em paralelo. Hayes acredita que GPUs são mais eficazes para correção de erros do que chips conhecidos como FPGAs, também usados na indústria.
A Quantinuum tem usado seus computadores para investigar a física básica do magnetismo e da superconductividade. No início deste ano, relatou ter simulado um ímã no H2, o antecessor do Helios, com a alegação de que ele “rivaliza com as melhores abordagens clássicas na ampliação da nossa compreensão do magnetismo”. Junto ao anúncio da introdução do Helios, a empresa também usou a máquina para simular o comportamento de elétrons em um supercondutor de alta temperatura.
“Esses não são problemas artificiais”, diz Hayes. “São problemas nos quais, por exemplo, o Departamento de Energia está muito interessado.”
A Quantinuum planeia construir outra versão do Helios em sua unidade em Minnesota. Ela já começou a montar um protótipo para um computador de quarta geração, chamado Sol, que planeja entregar em 2027, com 192 qubits físicos. Depois, em 2029, a empresa espera lançar o Apollo, que afirma ter milhares de qubits físicos e deverá ser “totalmente tolerante a falhas”, ou seja, capaz de implementar correção de erros em larga escala.
Sophia Chen
