Por mais de 50 anos, A Lei de Moore reinou suprema. A observação de que o número de transistores em um chip de computador dobra aproximadamente a cada dois anos definiu o ritmo de nossa revolução digital moderna - fabricando smartphones, computadores pessoais e supercomputadores atuais possíveis. Mas a Lei de Moore está diminuindo. E mesmo que não fosse, alguns dos grandes problemas que os cientistas precisam enfrentar podem estar além do alcance dos computadores convencionais.

Nos últimos anos, pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) têm explorado um tipo drasticamente diferente de arquitetura de computação baseada na mecânica quântica para resolver alguns dos problemas mais difíceis da ciência. Com financiamento de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD), eles desenvolveram química quântica e algoritmos de otimização, bem como protótipos de processadores quânticos supercondutores. Recentemente, eles provaram a viabilidade de seu trabalho usando esses algoritmos em um processador quântico compreendendo dois bits quânticos transmon supercondutores para resolver com sucesso o problema químico de calcular o espectro de energia completo de uma molécula de hidrogênio.

Agora, duas equipes de pesquisa lideradas pela equipe do Berkeley Lab receberão financiamento do Departamento de Energia (DOE) para aproveitar esse impulso. Uma equipe receberá US $ 1,5 milhão em três anos para desenvolver novos algoritmos, técnicas de compilação e ferramentas de programação que permitirão que plataformas de computação quântica de curto prazo sejam usadas para descobertas científicas nas ciências químicas. A outra equipe trabalhará em estreita colaboração com esses pesquisadores para projetar protótipos de processadores de quatro e oito qubit para computar esses novos algoritmos. O projeto terá duração de cinco anos e os pesquisadores receberão US $ 1,5 milhão no primeiro ano de trabalho. No quinto ano, a equipe de hardware espera demonstrar um processador de 64 qubit com controle total.

"Algum dia, computadores quânticos universais serão capazes de resolver uma ampla gama de problemas, do design molecular ao aprendizado de máquina e cibersegurança, mas estamos muito longe disso. Então, a questão que estamos fazendo atualmente é se existem problemas específicos que podemos resolver com computadores quânticos mais especializados, "diz Irfan Siddiqi, Cientista do Berkeley Lab e diretor fundador do Center for Quantum Coherent Science na UC Berkeley.

De acordo com Siddiqi, as tecnologias de computação quântica coerente de hoje têm os tempos de coerência necessários, fidelidades de operação lógica e topologias de circuito para realizar cálculos especializados para pesquisa fundamental em áreas como ciência molecular e de materiais, otimização numérica e física de alta energia. À luz desses avanços, ele observa que é oportuno para o DOE explorar como essas tecnologias podem ser integradas à comunidade de computação de alto desempenho. Nesses novos projetos, as equipes do Berkeley Lab trabalharão com colaboradores na indústria e na academia para aproveitar esses avanços e enfrentar difíceis problemas científicos da missão DOE, como o cálculo da dinâmica do sistema molecular e o aprendizado de máquina quântica.

"Estamos nos estágios iniciais da computação quântica, mais ou menos como estávamos com a computação convencional na década de 1940. Temos parte do hardware, agora precisamos desenvolver um conjunto robusto de software, algoritmos e ferramentas para utilizá-lo de forma otimizada para resolver problemas científicos realmente difíceis, "diz Bert de Jong, que lidera a Química Computacional, Grupo de Materiais e Clima na Divisão de Pesquisa Computacional (CRD) do Berkeley Lab.

Ele estará chefiando uma equipe de algoritmos quânticos DOE composta por pesquisadores do Berkeley Lab, Harvard, O Argonne National Lab e a UC Berkeley se concentraram em "Algoritmos Quânticos, Matemática e Ferramentas de Compilação para Ciências Químicas. "

"A tradição de ciência da equipe do Berkeley Lab, bem como sua proximidade com a UC Berkeley e Silicon Valley, o torna um lugar ideal para trabalhar em computação quântica de ponta a ponta, "diz Jonathan Carter, Vice-Diretor do Berkeley Lab Computing Sciences. "Temos físicos e químicos no laboratório que estudam a ciência fundamental da mecânica quântica, engenheiros para projetar e fabricar processadores quânticos, bem como cientistas da computação e matemáticos para garantir que o hardware será capaz de computar com eficácia a ciência DOE. "

Carter, Jonathan DuBois, de Siddiqi e Lawrence Livermore National Laboratory, conduzirá o projeto de teste de simulação avançada quântica (AQuES) do DOE.

Desafio da Coerência Quântica

A chave para construir computadores quânticos que resolvam problemas científicos além do alcance dos computadores convencionais é a "coerência quântica". Esse fenômeno essencialmente permite que os sistemas quânticos armazenem muito mais informações por bit do que os computadores tradicionais.

Em um computador convencional, os circuitos de um processador compreendem bilhões de transistores - minúsculos interruptores que são ativados por sinais eletrônicos. Os dígitos 1 e 0 são usados ​​em binário para refletir os estados ligado e desligado de um transistor. É essencialmente assim que as informações são armazenadas e processadas. Quando os programadores escrevem código de computador, um tradutor o transforma em instruções binárias - 1s e 0s - que um processador pode executar.

Ao contrário de um bit tradicional, um bit quântico (qubit) pode assumir propriedades mecânicas quânticas um tanto contra-intuitivas, como emaranhamento e superposição. O emaranhamento quântico ocorre quando pares ou grupos de partículas interagem de tal forma que o estado de cada partícula não pode ser descrito individualmente; em vez disso, o estado deve ser descrito para o sistema como um todo. Em outras palavras, as partículas emaranhadas atuam como uma unidade. A superposição ocorre quando uma partícula existe em uma combinação de dois estados quânticos simultaneamente.

Portanto, enquanto um bit de computador convencional codifica as informações como 0 ou 1, um qubit pode ser 0, 1 ou uma superposição de estados (0 e 1 ao mesmo tempo). A capacidade de um qubit de existir em vários estados significa que ele pode, por exemplo, permitem o cálculo de propriedades químicas e materiais significativamente mais rápido do que os computadores tradicionais. E se esses qubits pudessem ser ligados ou emaranhados em um computador quântico, problemas que não podem ser resolvidos hoje com computadores convencionais podem ser resolvidos.

Mas levando os qubits a este estado de coerência quântica, onde eles podem tirar proveito das propriedades da mecânica quântica e, em seguida, aproveitá-las ao máximo quando estão nesse estado continua sendo um desafio.

"A computação quântica é como jogar uma partida de xadrez em que as peças e o tabuleiro são feitos de gelo. À medida que os jogadores misturam as peças, os componentes estão derretendo, e quanto mais movimentos você faz, quanto mais rápido o jogo vai derreter, "diz Carter." Qubits perdem coerência em um período de tempo muito curto, portanto, cabe a nós descobrir o conjunto de movimentos mais útil que podemos fazer. "

Carter observa que a abordagem do Berkeley Lab de co-projetar os processadores quânticos em estreita colaboração com os pesquisadores que desenvolvem algoritmos quânticos, técnicas de compilação e ferramentas de agendamento serão extremamente úteis para responder a essa pergunta.

"As abordagens computacionais são comuns na maioria dos projetos científicos do Berkeley Lab. À medida que a Lei de Moore está desacelerando, novas arquiteturas de computação, sistema, e técnicas tornaram-se uma iniciativa prioritária no Berkeley Lab, "diz Horst Simon, Diretor Adjunto do Berkeley Lab. "Reconhecemos desde o início como a simulação quântica pode fornecer uma abordagem eficaz para alguns dos problemas computacionais mais desafiadores da ciência, e estou satisfeito em ver o reconhecimento de nossa iniciativa LDRD por meio deste primeiro financiamento direto. A ciência da informação quântica se tornará um elemento cada vez mais importante de nosso empreendimento de pesquisa em muitas disciplinas. "

Como este campo ainda está em seus primeiros dias, existem muitas abordagens para construir um computador quântico. As equipes lideradas pelo Berkeley Lab estarão investigando computadores quânticos supercondutores.

Para projetar e fabricar a próxima geração de processadores quânticos, a equipe AQuES vai aproveitar a instalação de circuito supercondutor no Laboratório de Nanoeletrônica Quântica da UC Berkeley, incorporando a experiência de pesquisadores em Tecnologia de Acelerador e Física Aplicada do Berkeley Lab, Divisões de Ciência e Engenharia de Materiais. As equipes de pesquisa também usarão os recursos exclusivos de duas instalações do DOE; a Molecular Foundry e o National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ambos localizados no Berkeley Lab.