Criado o “estado escuro” em um qubit supercondutor (Quantum physicist tame a so-called 'dark state' created in a superconducting qubit)

Esquemática da sequência de pulsos durante o STIRAP (passagem adiabática Raman estimulada)

Uma equipe de físicos na Universidade Aalto liderada pelo Dr. Sorin Paraoanu conseguiu domar o famoso “estado escuro”, criado em um qubit supercondutor. Um qubit supercondutor é um átomo artificial fabricado num chip de silício como um circuito elétrico de capacitores e junções túnel. Essa tecnologia é uma das mais promissoras para a construção de computadores quânticos.

       No experimento, o circuito foi operado em um regime em que já não absorve ou emite ondas eletromagnéticas, de certa frequência, como se ele estivesse escondido sob uma capa de invisibilidade - daí o termo “estado escuro”. Em seguida, usando uma sequência de pulsos de micro-ondas cuidadosamente trabalhada, a equipe empregou o estado escuro para realizar uma transferência de energia do estado fundamental para o segundo nível, sem popular o primeiro. A quantidade de energia transferida neste processo corresponde a um único fóton de micro-ondas. Isto é verificado por meio de tomografia quântica - uma técnica de reconstrução da função de onda (em geral, a matriz de densidade) pela aplicação de rotações em um espaço abstrato de qubit seguido pelas medições.

       “A correspondência entre os dados experimentais e o modelo teórico é bastante notável, e isso nos dá confiança de que entendemos o que está acontecendo e podemos controlar este sistema quântico. Isso demonstra que os sistemas de três níveis (também chamados qutrits) podem ser usados em processadores quânticos em vez dos qubits normais de dois níveis”, afirma Antti Vepsäläinen, que implementou esta técnica e realizou simulações numéricas.

       E há outro fato notável sobre a experiência: para realizar a transferência, os pesquisadores usaram uma sequência não-intuitiva, aplicando no início um pulso que acopla o primeiro nível com o segundo e só depois de algum tempo, o pulso acopla o nível fundamental com o primeiro nível.

       “Suponha que você queira viajar de Helsinki para Nova York e você tem que mudar o seu voo em Londres", explica Paraoanu. “Normalmente, você primeiro voa de Helsinki para Londres, e depois de esperar algum tempo no aeroporto de Londres, embarca no voo Londres-Nova York. No mundo quântico seria melhor você embarcar no avião de Helsinki a Londres em algum momento após o voo Londres-Nova Iorque ter decolado. Você não iria gastar tempo em Londres e chegaria a Nova York no momento em que o avião partindo de Hesinki aterrissasse em Londres.” Isso é espantoso, mas a experiência mostra que está de fato acontecendo.

       Além da importância para a computação quântica, o resultado também tem implicações conceituais profundas. Grande parte da nossa compreensão da realidade baseia-se no chamado princípio da continuidade: a ideia de que influências se propagam daqui para lá, passando por todos os lugares intermediários. Objetos reais não aparecem em algum lugar do nada. Mas a experiência parece desafiar isso. Como em um grande show de mágica, a física quântica permite que as coisas se materializarem aqui e ali, aparentemente do nada.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-quantum-physicist-so-called-dark-state.html

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2016/160223/ncomms10628/full/ncomms10628.html

Máquina quântica dos sonhos da Google (Google’s Quantum Dream Machine)

John Martinis pesquisa a 30 anos como funcionam os computadores quânticos. Agora, ele pode estar à beira de finalmente fazer um útil.

       Os fundamentos teóricos da computação quântica estão bem estabelecidos. E os físicos podem construir as unidades básicas, conhecidas como qubits, dos quais um computador quântico pode ser feito. Eles podem até mesmo operar qubits juntos em pequenos conjuntos. Mas eles ainda não construíram um computador quântico completo.

       O físico John Martinis é uma figura de destaque no campo: seu grupo de pesquisa na Universidade da Califórnia, Santa Barbara, demonstrou alguns dos qubits mais confiáveis. Ele foi contratado pela Google em 2014, depois de convencer a empresa de que a tecnologia poderia amadurecer rapidamente com o apoio certo. Com seu novo laboratório, Martinis supõe que possa demonstrar um computador quântico pequeno, mas útil, em dois ou três anos. “Costumamos dizer que estamos dando à luz a indústria de computadores quânticos”, diz ele.

       A Google e a computação quântica é um jogo feito no céu algorítmico. A empresa é frequentemente definida por uma fome insaciável de dados. Mas a Google tem um vício estratégico mais urgente: a tecnologia que extrai informações dos dados, e até mesmo cria a inteligência a partir deles. Mais recentemente, a Google tem investido fortemente no desenvolvimento de software AI que pode aprender a compreender linguagem ou imagens, executar raciocínio básico, ou dirigir um carro. Tarefas estas que permanecem complicadas para os computadores convencionais, mas que deve ser trivial para os computadores quânticos. “Aprendizagem de máquina é um núcleo, um modo de transformação pelo qual estamos repensando como fazemos tudo”, diz Sundar Pichai, CEO do Google. Apoiar esse esforço seria o primeiro de muitos trabalhos para a nova indústria quântica de Martinis.

Criador de sonhos

       A perspectiva de um computador quântico fazendo algo útil dentro de poucos anos parecia remota. Pesquisadores do governo, acadêmicos e laboratórios corporativos estavam longe de combinar qubits suficientes para fazer até mesmo uma máquina simples. Uma startup canadense chamada D-Wave Systems, vendeu alguns exemplares do que chamou de “primeiros computadores quânticos comerciais do mundo”, mas passou anos sem conseguir convencer os especialistas de que as máquinas realmente estavam fazendo o que um computador quântico deveria fazer.

       Então, a NASA convocou os jornalistas para a construção do N-258 em seu centro de pesquisa, que desde 2013 tinha um computador da D-Wave comprado pela Google. Em um teste cuidadosamente projetado, o chip supercondutor dentro do computador da D-Wave foi 100 milhões de vezes mais rápido que um processador convencional.

       No entanto, este tipo de vantagem deve estar disponível em tarefas práticas da computação, não apenas em testes inventados. “Precisamos tornar mais fácil tomar um problema que surge na mesa de um engenheiro e colocá-lo no computador”, disse Neven, especialista em aprendizado de máquina. É aí que vem Martinis. Neven acha que a D-Wave não pode obter uma versão do seu quantum annealer rápido o suficiente para servir aos engenheiros da Google, então ele contratou Martinis. “Ficou claro que não podemos esperar”, diz Neven. “Há uma lista de deficiências que precisam ser superadas, a fim de chegar a uma tecnologia real”. Ele diz que os qubits no chip da D-Wave são pouco confiáveis ​​e não estão ligados entre si densamente o suficiente.

       A Google vai concorrer não só com a D-Wave, mas também com a Microsoft e a IBM, que têm projetos relevantes de computação quântica. Mas essas empresas estão focadas em projetos distantes de se tornarem úteis. Estima-se que o grupo de Martinis pode fazer um quantum annealer com 100 qubits até 2017. A D-Wave já tem 1.097 qubits, mas Neven diz que um chip de alta qualidade com menor número de qubits deve ser útil para algumas tarefas.

       O quantum annealer pode rodar apenas um determinado algoritmo, mas é adequado para as áreas que a Google mais se preocupa. As principais aplicações são reconhecimento de padrões e aprendizagem de máquina, segundo William Oliver, um membro da equipe do MIT Lincoln Laboratory, que estudou o potencial da computação quântica.

       Martinis e sua equipe estão se adaptando a muitas coisas, uma vez que os qubits são instáveis e inconstantes. Os qubits podem ser feitos de várias maneiras (Martinis usa alças de alumínio refrigeradas até se tornarem supercondutoras), mas todas representam dados por meio de estados quânticos delicados que são facilmente distorcidos ou destruídos pelo calor e ruído electromagnético.

       Qubits usam sua física frágil para fazer a mesma coisa que transistores quando usam a eletricidade em um chip convencional: representam bits binários de informação, 0 ou 1. Mas os qubits podem atingir um estado (chamado de superposição), que é 0 e 1 ao mesmo tempo. Qubits em uma superposição podem ser conectados por um fenômeno conhecido como entrelaçamento, onde uma ação realizada em um tem efeitos imediatos no outro. Esses efeitos permitem que uma única operação em um computador quântico faça o trabalho de muitas, muitas operações em um computador convencional. Em alguns casos, a vantagem de um computador quântico sobre um convencional cresce exponencialmente com a quantidade dos dados a serem trabalhados.

       A dificuldade de criar qubits estáveis ​é a razão de ainda não termos computadores quânticos. Mas Martinis acha que está quase lá. O tempo de coerência de seus qubits, ou o período de tempo que mantém uma superposição, é dezenas de microssegundos - cerca de 10.000 vezes maior que os da D-Wave.

       A confiança de Martinis no hardware do seu time o faz pensar que ele pode construir uma alternativa ainda mais poderosa para a Google. Um computador quântico universal, como seria chamado, pode ser programado para enfrentar qualquer tipo de problema, não apenas matemático. A teoria por trás dessa abordagem é melhor compreendida do que para outros annealers, em parte porque a maioria do tempo e do dinheiro investido em pesquisa de computação quântica têm se dedicado a computação quântica universal. Mas os qubits não são confiáveis o suficiente para traduzir a teoria em um computador quântico universal que funcione. Até março, quando Martinis e sua equipe se tornaram os primeiros a demonstrarem qubits que cruzaram um limiar crucial da confiabilidade para um computador quântico universal. Eles conseguiram um chip com nove qubits para executar parte de um programa de verificação de erros, o chamado código de superfície, necessário para tal computador funcionar. “Nós demonstramos a tecnologia em um ponto onde eu sabia que nós poderíamos escalar”, diz Martinis. “Este era real.”

       Martinis pretende apresentar um computador quântico universal de 100 qubits em dois anos. Isso seria um marco na ciência da computação, mas seria improvável ajudar os programadores da Google imediatamente. Tal é a complexidade do código de superfície que, apesar de um chip com 100 qubits poder executar o programa de verificação de erros, seria incapaz de fazer qualquer trabalho útil, além desse, diz Robert McDermott, que lidera um grupo de pesquisa de computação quântica na Universidade de Wisconsin. No entanto, Martinis acredita que uma vez que ele torne seus qubits confiáveis ​​o suficiente para colocar 100 deles em um chip quântico universal, estará aberto o caminho para combinar muitos mais. “Isso é algo que entendemos muito bem”, diz ele. “É difícil conseguir coerência, mas é fácil de escalá-la.”

Algoritmos estúpidos

       Quando Martinis explica porque sua tecnologia é necessária para a Google, ele não poupa os sentimentos das pessoas que trabalham na AI. “Algoritmos de aprendizagem de máquina são realmente uma espécie idiota”, diz ele, com um toque de admiração em sua voz. “Eles precisam de muitos exemplos para aprender.”

       Descobrir como os chips de Martinis podem tornar o software da Google menos estúpido recaiu para Neven. Ele acha que o poder prodigioso dos qubits vai reduzir o hiato entre aprendizagem de máquina e aprendizagem biológica e refazer o campo da inteligência artificial. “A aprendizagem da máquina será transformada em aprendizagem quântica”, diz ele. Isso poderia significar um software que pode aprender a partir de dados mais confusos, ou de menos dados, ou mesmo sem instrução explícita. Por exemplo, os pesquisadores da Google têm projetado um algoritmo que poderia permitir ao software de aprendizagem de máquina assimilar um novo truque mesmo quando metade dos dados de exemplos é incorreta. Neven comenta que este tipo de músculo computacional pode ser a chave para dar aos computadores capacidades limitadas aos seres humanos.

       Os pesquisadores da Google não podem fazer muito além de especular sobre o que exatamente poderiam ou deveriam fazer com os chips que Martinis está construindo. Vai levar tempo para construir a infra-estrutura necessária para operar um grande número de dispositivos exóticos para que eles possam contribuir materialmente para os negócios da Google.

Fonte: https://www.technologyreview.com/s/544421/googles-quantum-dream-machine/

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

IBM apresenta um chip de computação quântica (IBM Shows Off a Quantum Computing Chip)

Quando resfriado a uma fração acima do zero absoluto, os quatro elementos escuros no centro do circuito no meio desta imagem podem representar dados digitais usando efeitos da mecânica quântica.

Um novo chip supercondutor desenvolvido pela IBM demonstra um importante passo necessário para o desenvolvimento dos computadores quânticos. Se desenvolvido com sucesso, os computadores quânticos poderiam efetivamente tomar atalhos através de muitos cálculos que são difíceis para os computadores de hoje.

O novo chip da IBM é o primeiro a integrar os dispositivos básicos necessários para construir um computador quântico, conhecido como qubits, em uma rede 2D. Pesquisadores acham que uma das melhores rotas para fazer um computador quântico prático implicaria a criação de redes de centenas ou milhares de qubits que trabalham em conjunto.

Os circuitos do chip da IBM são feitos a partir de metais que se tornam supercondutor quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. O chip da IBM contém apenas a rede mais simples possível, quatro qubits em uma matriz dois-por-dois. Anteriormente os pesquisadores tinham mostrado que eles só poderiam operar qubits juntos quando dispostos em uma linha. Ao contrário de bits binários convencionais, um qubit pode inserir um ‘estado de superposição’ onde é efetivamente 0 e 1, ao mesmo tempo. Quando qubits nesse estado trabalham juntos, eles podem cortar através de cálculos complexos de maneiras impossíveis para hardwares convencionais. Google, NASA, Microsoft, IBM, e o governo dos EUA estão trabalhando na tecnologia.

Existem maneiras diferentes de fazer qubits, os circuitos supercondutores usados ​​pela IBM e Google são um dos mais promissores. No entanto, todos os qubits sofrem do fato de que os efeitos quânticos que utilizam para representar os dados são muito susceptíveis a interferência. Muito trabalho atual está focada em mostrar que pequenos grupos de qubits podem detectar quando erros ocorrem para que eles possam ser contornados ou corrigidos.

No início deste ano, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e do Google anunciaram a construção de um chip com nove qubits supercondutores dispostos em uma linha (clique aqui). Alguns dos qubits do sistema podem detectar quando companheiros no dispositivo sofrem um tipo de erro chamado bit-flip, onde um qubit representando um 0 muda para 1 ou vice-versa.

No entanto, qubits também sofrem de um segundo tipo de erro conhecido como flip de fase, em que o estado de superposição de um qubit fica distorcido. Qubits só podem detectar outros qubits se eles estão trabalhando em conjunto numa matriz 2D, diz Jay Gambetta, líder do grupo de pesquisa de computação quântica da IBM.

Um artigo publicado detalha como o chip da IBM com quatro qubits dispostos em um quadrado pode detectar ambos os bits-flips e os de fase. Um par de qubits é checado através do outro par. Um par faz a verificação dos bits-flips e outro verifica os flips de fase. “Este é um trampolim para demonstrar um quadrado maior”, diz Gambetta. “Outros desafios emergem quando o quadrado fica maior, mas parece muito otimista para as próximas etapas.”

Gambetta diz que sua equipe teve que projetar cuidadosamente o seu novo chip para superar problemas de interferências causados por colocar quatro qubits tão próximos. Eles já estão fazendo experiências com um chip que tem uma grade de oito qubits em um retângulo de dois-por-quatro. Raymond Laflamme, diretor do Instituto para a Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, descreve os resultados da IBM como “um marco importante [em direção aos] processadores quânticos de confiança”. Combater os erros é um dos problemas mais importantes do campo. “A computação quântica promete ter muitas aplicações alucinantes, mas é prejudicada pela fragilidade da informação quântica”.

Resolver esse problema exige ir um passo além dos resultados mais recentes da IBM, e corrigir os erros qubit bem como detectá-los. Isso só pode ser demonstrado em uma grade maior de qubits, diz Laflamme. No entanto, nem todos os pesquisadores de computação quântica pensam em qubits como aqueles que estão sendo construídos na IBM, Google e em outros lugares. Pesquisadores da Microsoft e Bell Labs estão trabalhando para criar um design completamente diferente do qubit que deve ser menos propenso a erros.

Fonte: http://www.technologyreview.com/news/537041/ibm-shows-off-a-quantum-computing-chip/

Corrigindo erros quânticos em circuitos supercondutores (Correcting quantum errors in superconducting circuits)

a) O código de repetição é uma variante unidimensional (1D) do código de superfície, e é capaz de proteger contra erros (bit-flip). O código é implementado usando um padrão alternado de dados e medição de qubits. b) Micrografia óptica do dispositivo quântico supercondutor, que consiste em nove qubits “transmon” com controle e medição individual. c) O algoritmo do código de repetição utiliza repetidas operações de medidas e de emaranhamento que detectam bit-flips, utilizando o esquema de paridade no lado direito. Usando o output a partir dos qubits medidos durante a repetição do código para detecção de erro, o estado inicial pode ser recuperado removendo erros físicos no software. Texto e imagem: Nature

         Os computadores quânticos do futuro serão construídos a partir de um grande número de bits quânticos (qubits), que deverão estar em certos estados quânticos. No entanto, esses estados são extremamente frágeis e facilmente destruídos por “erros de bits” vindos do ruído externo no ambiente, e os físicos ainda não conseguiram criar qubits robustos o suficiente para serem usados em uma máquina prática. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da Google construíram um sistema de nove qubits em um circuito supercondutor que é robusto a esses erros e as suas experiências mostram que a correção de erro quântico poderia agora ser realisticamente possível em um dispositivo.

        Os pesquisadores, liderados por John Martinis, construíram um circuito quântico supercondutor que consiste em nove qubits. Cada qubit é um pequeno circuito constituído por um condensador e um indutor não-linear (chamado cruzamento Josephson), que atua como um átomo artificial. Os materiais que compõem o conjunto são uma película de alumínio depositada em um substrato de safira.

        “Nosso sistema de nove qubits pode proteger-se de erros de bits que inevitavelmente surgem do ruído e flutuações do ambiente em que os qubits estão incorporados”, explica o membro da equipe de Julian Kelly. “Mostramos também que ‘mais é melhor’: nove qubits protege o sistema melhor do que cinco qubits, um requisito fundamental quando vai para mais qubits em um computador quântico real do futuro”.

Estados quânticos são frágeis

        Os computadores quânticos vão funcionar com base no princípio de que uma partícula quântica pode estar em uma superposição de dois estados ao mesmo tempo – ‘spin up’ e ‘spin down’ no caso de um elétron, por exemplo. Os dois estados representam um ‘1’ e ‘0’, de modo que N partículas - os qubits - podem ser combinados, ou ‘emaranhados’, para representar valores 2N simultaneamente. Isso levaria ao processamento paralelo de informação em grande escala, o que não é possível com os computadores convencionais.

        Tais máquinas quânticas teriam um desempenho muito melhor em determinadas tarefas, como a aprendizagem de máquina ou simulação de moléculas complexas, por exemplo, porque suas velocidades de processamento devem crescer exponencialmente com o número de qubits de informação envolvidos. Na prática, porém, os físicos têm se esforçado para criar até mesmo o computador quântico mais simples, porque a fragilidade desses estados quânticos significa que eles são facilmente destruídos e são difíceis de controlar.

Paridade de medição

        “Na mecânica quântica, não podemos medir um qubit sem destruir a superposição e emaranhamento que faz com que a mecânica quântica funcione”, diz o membro da equipa Rami Barends, “mas podemos medir algo chamado paridade, que forma a base da correção de erro quântico”.

        Os pesquisadores exploraram esse fato e repetidamente mediram a paridade entre ‘dados’ de qubits adjacentes, fazendo uso de qubits de ‘medição’. “Cada ciclo, estes qubits de medição interagem com seus qubits de dados circundantes, através de portas lógicas quânticas e então podemos medi-los”, diz Kelly. “Quando ocorre um erro, a paridade muda de acordo e o qubit de medição relata um resultado diferente. Ao acompanhar esses resultados, podemos descobrir quando e onde ocorreu um erro de bit”.

Identificação e correção de erros

        Um número maior de qubits fornece mais informações para identificar e corrigir os erros, acrescenta Austin Fowler, membro da equipe. “Erros podem ocorrer a qualquer momento e em todos os tipos de qubits: qubits de dados, qubits de medição, durante a operação da porta e até mesmo durante a medida. Descobrimos que um dispositivo de cinco qubits é robusto para qualquer tipo de erro de bit que ocorre em qualquer lugar durante um algoritmo, mas um dispositivo de nove qubits é melhor porque é robusto para qualquer combinação de dois erros de bit”.

        Embora ainda muito longe de aplicações no mundo real, os pesquisadores dizem que um dispositivo de ‘auto-correção’ como o deles poderia ser uma ótima plataforma para testar algumas das ideias por trás da correção de erros - como proteger um estado quântico contra os famosos erros de phase-flip. “Nós também estamos agora ocupados em melhorar a qualidade dos nossos qubits e os materiais que usamos para fazê-los”, diz Kelly.

John Martinis e vários outros especialistas descrevem os benefícios e desafios da computação quântica em um podcast que apareceu pela primeira vez no site physicsworld.com: “A computação quântica: Desafios, triunfos e aplicações”.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60428

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7541/full/nature14270.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