Tecnologias Quânticas: Soquete para conectar processadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2016

 O soquete permite conectar inúmeros bits quânticos supercondutores, viabilizando a construção de processadores grandes. [Imagem: University of Waterloo]

Conector de qubits

Uma equipe internacional, trabalhando na Universidade de Waterloo, no Canadá, desenvolveu uma nova técnica de fiação capaz de conectar e controlar bits quânticos supercondutores, uma das técnicas de computação quântica em estágio mais avançado de desenvolvimento.

O dispositivo de conexão representa um passo importante para a construção de módulos de processamento e armazenamento que possam ser interconectados para viabilizar um computador quântico de grande porte, com um número de bits muito maior do que as demonstrações realizadas em laboratório até agora.

“O soquete quântico é um método de fiação que usa fios tridimensionais montados sobre pinos com molas para endereçar qubits individuais,” explicou Jeremy Béjanin, principal responsável pela construção do dispositivo.

“A técnica conecta a eletrônica clássica com os circuitos quânticos, e é extensível muito além dos limites atuais, de um a possivelmente alguns milhares de qubits,” completou Béjanin.

Conexão do quente ao frio

Para controlar (gravar) e medir (ler) os qubits supercondutores, são usados pulsos de micro-ondas. Esses pulsos devem ser enviados, das fontes geradoras dedicadas, até os qubits, por meio de uma rede de cabos adequados. Esses cabos devem fazer a conexão entre a eletrônica de temperatura ambiente de controle e o ambiente frio do criostato onde ficam os bits supercondutores.

O que a equipe realizou foi justamente a construção dessa rede de cabos, uma infraestrutura complexa e considerada até agora uma barreira substancial à ampliação da escala dos processadores quânticos.

Bibliografia:
Three-Dimensional Wiring for Extensible Quantum Computing: The Quantum Socket
Jeremy H. Béjanin, Thomas G. McConkey, John R. Rinehart, Carolyn T. Earnest, Corey Rae H. McRae, Daryoush Shiri, James D. Bateman, Yousef Rohanizadegan, B. Penava, P. Breul, S. Royak, M. Zapatka, A. G. Fowler, Matteo Mariantoni
Physical Review Applied
Vol.: 6, 044010
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.6.044010


Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tecnologias-quanticas-soquete-processadores-quanticos&id=010110161121&ebol=sim#.WDWhheYrKyI

Computação quântica sem qubits usa fótons tirados do nada

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/09/2016

Ilustração artística de três fótons emaranhados tirados do vácuo quântico - eles são usados como substitutos para os qubits. [Imagem: Antti Paraoanu]

Rodopios

Se você ainda não se acostumou à ideia do vácuo quântico e sua capacidade de fazer a matéria surgir do nada, um novo conceito para o uso prático dessa propriedade, de fato muito estranha, pode fazer sua cabeça rodar de vez.

A ideia, que é essencialmente uma abordagem alternativa e muito mais radical para a computação quântica, consiste em usar as partículas que emergem do vácuo quântico para fazer cálculos.

Ou seja, você não errará muito se disser que é uma "computação que emerge do nada", ou, como se trata de uma computação que utiliza fótons virtuais tornados reais, uma computação com "cores que surgem da escuridão".

Produção de fótons a partir do vácuo

Um grupo de físicos da Universidade de Aalto, na Finlândia, demonstrou experimentalmente que os fótons que emergem do vácuo quântico podem ser usados para codificar informações e fazer cálculos, substituindo os qubits por um novo tipo de computação quântica, diferente dos sistemas ópticos mais comumente desenvolvidos até agora.

A equipe usou sensores magnéticos extremamente sensíveis, chamados SQUIDs (sigla em inglês para Dispositivos Supercondutores de Interferência Quântica), para criar um ressonador, um dispositivo que oscila naturalmente em frequências definidas.

Esse ressonador supercondutor foi posto para funcionar a uma temperatura próxima do zero absoluto, quando cessa virtualmente qualquer movimento térmico. Visto de outro modo, este estado corresponde à mais completa escuridão, já que não está presente nenhum fóton - aqui nos referindo a uma partícula real da radiação eletromagnética, como a luz visível ou micro-ondas.

E é aí, nesse estado conhecido como vácuo quântico, que se observam flutuações que trazem à existência fótons virtuais, ou partículas que surgem, se recombinam e desaparecem em períodos de tempo muito curtos.

Esquema do dispositivo usado pela equipe para gerar fótons a partir da escuridão e usá-los para fazer cálculos. [Imagem: Pasi Lahteenmaki et al. - 10.1038/ncomms12548]

Computação sem bits

Os pesquisadores finlandeses conseguiram converter esses fótons virtuais emergindo do vácuo quântico em fótons reais de radiação de micro-ondas, que podem ser produzidos com diferentes frequências, ou cores, usando o ressonador. Em outras palavras, assim como os experimentos anteriores haviam mostrado que o vácuo quântico é mais do que a total ausência de matéria, visto desse modo pode-se dizer que a escuridão também é mais do que a mera ausência de luz.

A grande novidade é que os fótons de micro-ondas já nascem entrelaçados, ou seja, com uma conexão íntima entre eles. E o entrelaçamento é uma das propriedades mais exploradas pela computação quântica.

Como essas correlações entre os fótons podem ser geradas de forma controlada pelo ressonador, o sistema na verdade dispensa os qubits tradicionais, lançando uma nova abordagem para a computação quântica.

“Isso tudo sugere a possibilidade de utilizar as diferentes frequências para a computação quântica. Os fótons de diferentes frequências vão desempenhar um papel semelhante ao dos registradores nos computadores clássicos, e operações de portas lógicas poderão ser realizadas entre eles,” explicou o professor Sorin Paraoanu.

“Utilizando os sinais de micro-ondas multifrequenciais, podemos adotar uma abordagem alternativa [para a computação quântica] que cria portas lógicas como sequências de medições quânticas. Além disso, se usarmos os fótons criados no nosso ressonador, os bits quânticos físicos, ou qubits, tornam-se desnecessários,” acrescentou Pertti Hakonen, outro membro da equipe.

Bibliografia:
Coherence and correlations from vacuum fluctuations in a microwave superconducting cavity. Pasi Lahteenmaki, Gheorghe Sorin Paraoanu, Juha Hassel, Pertti J. Hakonen. Nature Communications, Vol.: 7, Article number: 12548
DOI: 10.1038/ncomms12548

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=computacao-quantica-sem-qubis-fotons-tirados-nada&id=010150160909&ebol=sim

D-Wave Systems atinge marca de processamento de 1000 bits quânticos

A D-Wave Systems anunciou nesta semana que ultrapassou a marca de processamento de 1000 qubits (bits quânticos) com um novo chip que tem o dobro do tamanho do último criado pela própria empresa. Com isso, o processador considera 2¹⁰⁰⁰ possibilidades simultaneamente, o que minimiza as 2⁵¹² possibilidades que estavam disponíveis com o D-Wave Two. Para efeito de comparação, o número de possibilidades que o chip pode considerar é maior do que o número de partículas de todo o universo visível.

       Em termos práticos, a conquista tecnológica da D-Wave Systems permitirá que um computador quântico possa resolver problemas computacionais mais complexos do que qualquer outro. Isso porque o qubit, que é uma unidade de informação com propriedades quânticas, trata os dados de maneira diferente do bit comum. Em vez de considerar as informações de forma isolada, como fazem os computadores tradicionais, ele as integra para criar novas dimensões para o processamento.

       “Quebrar a barreira dos 1000 qubits marca o resultado de anos de pesquisa e desenvolvimento de nossos cientistas, engenheiros e fabricantes”, afirmou Vern Brownell, CEO da D-Wave. “Esse é um passo essencial para trazer a promessa da computação quântica para lidar com problemas mais desafiadores que as organizações possam enfrentar, sejam eles técnicos, comerciais, científicos ou de segurança nacional”.

       Os novos processadores, que compreendem mais de 128.000 junções Josephson em 6 camadas de metal num processo de 0,25 µm, são os supercondutores de circuitos integrados mais complexos já produzidos com sucesso.  Para que funcionem, esses chips precisam estar 40% mais refrigerados do que os outros processadores quânticos – que já requeriam estar próximos do zero absoluto. Com esse novo processo de fabricação, a D-Wave conseguiu também reduzir o barulho dos componentes em 50%.

       “Para a indústria de computação de alto desempenho, a promessa da computação quântica é muito emocionante. Ela oferece o potencial para resolver problemas importantes que não podem ser resolvidos hoje ou tomariam uma quantidade razoável de tempo para isso”, disse Earl Joseph, vice-presidente da IDC ao HPC.

       Baseada em Palo Alto, na Califórnia, a D-Wave é a maior fabricante de componentes de computação quântica do momento e presta serviços para a NASA e Google.

Fonte: http://info.abril.com.br/noticias/ti/2015/06/d-wave-atinge-marca-de-processamento-de-1-000-bits-quanticos.shtml

Primeiro bit quântico supercondutor do Reino Unido (UK's first superconducting quantum bit foundry)

Teresa Hoenigl-Decrinis com um sistema avançado de deposição de filmes finos. Acima da esquerda para a direita: várias demonstrações da natureza quântica de um dos qubits.

O professor Oleg Astafiev e sua equipe projetaram, construíram e operaram o primeiro dispositivo de qubit supercondutor do Reino Unido.

       Bits quânticos ou qubits são os blocos básicos para um computador que trabalha de acordo com as regras da física quântica. Capaz de executar programas e tarefas que nossos computadores atuais não podem fazer, os computadores quânticos são o próximo grande passo no futuro da computação.

Dispositivos supercondutores são uma das mais avançadas tecnologias em estudo a nível mundial para implementar os computadores quânticos. As aplicações potenciais destes materiais vão muito além do campo da computação quântica e incluem avanços na medicina e na exploração do espaço.

       O professor Astafiev e sua equipe obtiveram avanços importantes na qualidade de nanofabricação e desenvolveram um dispositivo de vários qubits acoplados a uma linha de transmissão de microondas. As imagens mostram vários aspectos da natureza quântica do dispositivo e a análise detalhada dos dados comprova a elevada qualidade do processo de concepção e fabricação.

       Segundo Astafiev, “Vamos estudar dispositivos mais complexos e os fenômenos mais interessantes em dispositivos quânticos macroscópicos e fotônica de microondas quântica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-05-uk-superconducting-quantum-bit-foundry.html

Computação quântica já existe! (e usa supercondutores)

Google comercializa computador quântico

Para realizar computação quântica confiável, o sistema da D-Wave opera em temperaturas próximas do zero absoluto. [Fonte da imagem: ZDNet]

O Instituto de Física Teórica Kavli da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UBC) está se unindo ao Google para promover a comercialização de computadores quânticos baseados em supercondutores.

A empresa D-Wave parecia um tiro no escuro quando lançada em 1999. Um ramo da University of British Columbia (UBC), a empresa pretendia comercializar o que na década de 1990 era um campo relativamente controverso e teórico - a computação quântica. A computação quântica é a arte de manipular entidades atômicas e explorar peculiaridades da física conhecida como “efeitos quânticos” para armazenar informações de forma mais densa e obter respostas instantaneamente de algoritmos complexos. A computação quântica é um desafio dos dois lados. Primeiro você precisa desenvolver um hardware capaz de explorar os tipos desejados de manipulação quântica. Segundo, você precisa programar o hardware com um algoritmo quântico derivado de um algoritmo clássico, como o algoritmo Page Rank de busca do Google.

Na década de 1990, nem o hardware nem o desenvolvimento de algoritmos quânticos era avançado o suficiente para ser considerado comercialmente viável. Mas a D-Wave jogou os dados e lançou uma startup na esperança de que poderia mudar isso no lado do hardware. Trabalhando em estreita colaboração com a UBC, com a Universidade de Toronto, com o laboratório de propulsão a jato da NASA e várias outras instituições de pesquisa americanas e canadenses, a D-Wave conseguiu atingir o improvável – construiu um hardware de computação quântica com potencial comercial.

Em 2007, ele executou sua primeira demonstração pública no sistema “Orion” de 16 qubits (qubit = bit quântico), que tinha uma parte especial de hardware chamado de “processador supercondutor quântico adiabático”. O processador quântico foi mais do que um co-processador no sentido de que ele não foi projetado para computação de propósitos gerais, mas para rodar algoritmos quânticos especializados carregados pelo hardware convencional.

Soluções foram geradas a partir de um processo complexo conhecido como 'recozimento quântico' (quantum annealing). Mais especificamente, o sistema da D-Wave opera através do entrelaçamento quântico - uma espécie de ligação psíquica (metaforicamente falando) entre elétrons em que espelham seus estados uns nos outros (mais especificamente, espelham uns nos outros os spins sobre seus respectivos núcleos atômicos). Para obter resultados ​​quânticos confiáveis, o sistema é resfriado a uma temperatura tão fria quanto ou mais que o espaço sideral.

Inicialmente, a alegação da D-Wave possuir o primeiro computador quântico funcional foi controversa. Contudo, os céticos foram incapazes de refutar suas reivindicações. Apoiadores como a NASA publicaram evidências dando suporte à sua possível validade.

O primeiro projeto revelado publicamente da D-Wave foi o processador “Orion” de 16 qubits

Desde o início, aplicações para a pesquisa eram evidentes. Junto com a resolução dos enigmas de Sudoku e um problema de escalonamento, um dos três demos iniciais em 2007 envolveu a busca de moléculas conhecidas em um banco de dados. Determinados algoritmos de busca de gráfico são problemas NP-completos; portanto, é impossível em um sentido convencional gerar uma solução exata na maioria dos casos.

A D-Wave iniciou a produção comercial com o processador “Orion” de 16-qubit

O objetivo é desenvolver a heurística para fornecer uma boa aproximação com base nas necessidades. Um dos objetivos centrais da D-Wave foi desenvolver um hardware comercial para obter soluções aproximadas de problemas NP-completos muito mais rápido do que é possível com hardware convencional.

Em maio de 2011, a D-Wave anunciou a disponibilidade de um processador de 128 qubit apelidado de “Rainier” (codinome: Chimera). O sistema completo tinha um preço de US$ 10 milhões de dólares. Este sistema tem uma temperatura operacional de 13,8 milikelvin (mK). A temperatura média que ocorre naturalmente no espaço sideral é de aproximadamente 2,7 K - quase 200 vezes maior do que a temperatura no interior do computador quântico.

D-Wave lançou em 2012 processadores quânticos de 128 qubits

Apesar do custo, o sistema recebeu várias compras. Os clientes incluem Universidade de Harvard, a Lockheed Martin Corp. (LMT) e a Universidade de Cornell. Enquanto o sistema mostrou resultados questionáveis ​​em termos de aceleração, ao menos desmistificou o ceticismo fornecendo indícios de que o complexo equipamento funcionou como descrito.

O computador quântico One D-Wave vendido por US$ 10 milhões de dólares

Mais tarde naquele ano, a D-Wave apresentou o Vesúvio (D-Wave Two) com 512-qubit. O design do D-Wave Two foi um salto crucial, uma vez que finalmente começou a eclipsar os computadores tradicionais em velocidade. Em alguns casos, o D-Wave Two foi centenas de vezes mais rápido quando comparado o melhor algoritmo quântico com o algoritmo clássico mais apto em hardware tradicional.

 Google e D-Wave: enredados por uma causa comum

O envolvimento da Google com a D-Wave remonta há mais de meia década. Em 2009, uma das primeiras demonstrações de protótipos iniciais da D-Wave envolveu um algoritmo quântico de busca de imagem da Google. Em maio de 2013, o Google e a D-Wave aprofundaram a parceria anunciando a abertura do  laboratório Google Quantum Artificial Intelligence. O laboratório foi co-patrocinado pela NASA e pela Universities Space Research Association (USRA). Ele mostrou que em vários indicadores, o D-Wave poderia oferecer uma aceleração de 3 a 5 ordens de magnitude maior do que dos algoritmos e hardwares convencionais.

Google usou suas caixas da D-Wave para otimizar partes do seu sistema operacional Android. Enquanto eles se recusaram a revelar certos detalhes, o Google disse que as otimizações alcançadas com o hardware quântico foram muito além do que era possível com o seu hardware convencional. Uma caixa da D-Wave poderia fazer o trabalho de otimização, em alguns casos, de todo um grande centro de dados.

        Em maio, o laboratório ofereceu uma validação crucial da tecnologia D-Wave, usando uma técnica chamada espectroscopia de tunelamento de qubit. Eles observaram uma forte evidência de entrelaçamento quântico durante uma parte chave do processo. Esta validação foi muito importante, já que algumas perguntas permaneciam se a máquina da D-Wave verdadeiramente realizava o quantum annealing. Enquanto descrições da física quântica forneceram o melhor ajuste para métricas observadas anteriormente, estudos indicam que os modelos clássicos demonstraram um comportamento semelhante. O novo trabalho do Google et al., mostrou de forma inequívoca que os mecanismos quânticos estavam trabalhando dentro das misteriosas caixas da D-Wave.

Sangue novo!

A parceria anunciada recentemente com a UCSB traz a bordo um dos maiores especialistas do mundo em supercondutores, o físico John Martinis. Professor Martinis ganhou o prêmio de Londres - um prêmio de investigação de ponta - para aplicações de supercondutores na computação quântica. Sua especialidade está no controle quântico - sistemas químicos que permitem manipulação de estados quânticos - e processamento de informação quântica - projetar algoritmos quânticos especializados (software) para analisar conjuntos de dados complexos.

O grupo do professor Martinis: Austin Fowler, Rami Barends, Professor John Martinis e Julian Kelly

Hartmut Neven, diretor de engenharia do Google relata:

Com um grupo de hardware integrado, a equipe agora será capaz de implementar e testar novos designs para otimização quântica e processadores de inferência baseados em recentes conhecimentos teóricos, bem como em nosso aprendizado a partir da arquitetura quantum annealing da D-Wave. Vamos continuar colaborando com os cientistas da D-Wave e experimentar a máquina "Vesúvio" na NASA, que será atualizada para 1000 qubit do processador "Washington".

A D-Wave revelou no ano passado que a sua concepção de qubit consiste de alças supercondutoras compostas de nióbio, com uma camada isolante de óxido de alumínio na junção. Os loops supercondutores são conhecidos como junções Josephson, em homenagem ao físico britânico Brian David Josephson que ganhou um prêmio Nobel de Física por descrever, em 1962, o comportamento deste tipo de circuito.

Circuitos supercondutores de nióbio e óxido de alumínio podem ser construídos em um substrato de silício para projetos de eletrônica quântica. [Fonte da imagem: IEEE Spectrum]

A fase e a carga do supercondutor utilizado são fundamentais para quanto tempo os qubits podem ser mantidos e que níveis de emaranhamento podem ser alcançados durante o quantum annealing. Nióbio é o supercondutor líder usado nestas junções, que também são conhecidas como junções túnel (STJ). Não há substituto para o nióbio que é o supercondutor elementar de mais alta temperatura crítica (9,26 K). Investigações sugerem que o tecnécio sob alta pressão pode alcançar 11,2 K, porém mais trabalho precisa ser feito para analisar a viabilidade da utilização de um material em uma STJ.

Nióbio elementar na forma de liga é azul e é encontrado em depósitos cristalinos. [Fonte da imagem: Wikimedia Commons]

Entretanto, professor Martinis pode focar seus conhecimentos na otimização da geometria da junção e nas técnicas de deposição para produzi-la de forma consistente e acessível. Ele deve também trabalhar para produzir um tipo especial de geometria na junção Josephson - uma junção em forma de cruz que ele chama de “XMON”. Em abril, sua equipe publicou um artigo na Nature sobre ‘xmons’ de qualidade perto de comerciais. Xmons mostram emaranhamento superior a outras geometrias da junção, mas (como afirma o artigo) está apenas começando a se aproximar da disponibilidade comercial.

Professor Martini desenvolveu uma junção Josephson melhorada que tem uma geometria em forma de cruz. Ele a chama de um qubit “XMON”. [Fonte da imagem: UCSB]

A recompensa para o Google irá, em curto prazo, ser realizada por meio de algoritmos de otimização de software que caçam pelas ineficiências em um código base. Em longo prazo, o Google pode ser capaz de abaixar os preços desses sistemas quânticos o suficiente para torná-los utilizáveis ​​como um backend de busca para o seu motor de imagens, proporcionando uma busca muito mais veloz e inteligente.

Fonte: http://www.dailytech.com/Google+Snares+Superconductor+Genius+Plan+1K+Qubit+Quantum+Computer/article36497.htm