Por James Clarke
Os últimos anos têm sido um momento emocionante na computação quântica. Bilhões de dólares foram investidos, e não há escassez de defensores e detratores. A atividade e o impulso em toda a comunidade quântica continuam a crescer. Para comprovar, há muitas manchetes recentes sobre o aumento da contagem de qubits, sistemas comercialmente viáveis, roteiros e startups. Alguns afirmam que a verdadeira comercialização está para virar da esquina.
Apesar dos desenvolvimentos muito empolgantes no campo, uma máquina de mais de 1 milhão de qubits tolerante a falhas e verdadeiros usos comerciais para a computação quântica estão a 10 a 15 anos da realidade. E isso é para alcançar a praticidade quântica – o ponto em que os computadores quânticos alcançam relevância comercial fazendo algo significativo para mudar nossas vidas. Em vez disso, a questão não deve ser focada em quando chegamos à comercialização, mas em saber se algum tipo de vantagem quântica é possível usando dispositivos com 50 a algumas centenas de qubits e como essa tecnologia se parece.
Kit de imprensa: Intel Labs
À medida que a comunidade continua a avançar com novas pesquisas, a indústria precisa aumentar a contagem de qubits e melhorar a qualidade dos qubits – movendo-se para produzir milhares de qubits de qualidade, que ainda está a vários anos de distância, e depois escalando para milhões.
Os pesquisadores da Intel têm trabalhado para fornecer um sistema quântico comercial full-stack nos últimos seis anos. Isso inclui arquitetura de qubit e pesquisa de algoritmos, control electronics, interconexões, cadeias de ferramentas de software quântico e compiladores, continuando para a camada de aplicação. Aproveitamos a profunda experiência da empresa em design de transistores de silício, fabricação de alto volume e tecnologias avançadas de fabricação para criar qubits de spin de silício.
Os qubits da Intel diferem de outras abordagens na indústria. Embora a Intel não seja a única empresa que trabalha com qubits de silício, somos a única empresa que usa a mesma linha de processo para fazer nossos qubits como fazemos com nossa tecnologia lógica de ponta. E como a Intel se dedica ao design de transistores e microcircuitos, a empresa possui tecnologia como o design assistido por computador (TCAD) para a criação de dispositivos. Essa mesma capacidade ainda não existe para o quantum, mas estamos desenvolvendo-a. A Intel também difere de outros desenvolvedores de hardware quântico porque habilitamos as peças de pilha completa internamente.
Acreditamos que esta é a abordagem correta. Se construirmos qubits de spin de silício em wafers de silício e desenvolvermos uma tecnologia de qubit que se pareça com um transistor, podemos seguir a Lei de Moore da aceleração para construir um sistema em larga escala. E embora tenha levado vários anos para traduzir um protótipo no laboratório em um processo de fabricação, estamos chegando lá.
Obtivemos ganhos significativos, incluindo:
- Outubro de 2022: A produção em massa de qubits em wafers de silício de 300 milímetros usando litografia ultravioleta extrema (EUV) em uma fábrica de alto volume nos permite encaixar 10.000 pequenas matrizes de pontos quânticos em uma única bolacha.
- Setembro de 2022: O desenvolvimento de um kit de desenvolvimento de software (SDK) full-stack, o Intel Quantum SDK, permite que os desenvolvedores interajam com a pilha de computação quântica da Intel®. O kit permite que os desenvolvedores programem novos algoritmos quânticos para executar qubits em simulação e em hardware quântico real no futuro.
- Abril de 2022: Os primeiros dispositivos qubit de spin de silício da indústria fabricados no equipamento de fabricação de pesquisa e desenvolvimento de 300 mm da Intel representam um passo crucial para o dimensionamento para os milhares ou potencialmente milhões de qubits necessários para um computador quântico comercial. Também mostra que a fabricação de chips quânticos nas linhas de transistores estabelecidas pela Intel é uma estratégia vencedora, tanto no número de qubits quanto na qualidade dos dispositivos.
- Março de 2021: O cryoprobe, um dispositivo de teste para medir qubits e coletar informações em minutos sobre fontes de ruído quântico e a qualidade dos pontos quânticos, permite que nossa equipe receba resultados de dispositivos quânticos em horas, em vez dos dias ou semanas que levaram.
- Dezembro de 2020: Aproveitando nossa experiência com semicondutores, criamos o chip de controle quântico criogênico Horse Ridge para ajudar a resolver os desafios de interconexão associados à computação quântica. Ele elimina grande parte do cabeamento que lota os refrigeradores de diluição que mantêm os qubits nas temperaturas frias que precisam executar.
O que vem a seguir para a Quantum?
Quando se trata de inovação quântica, a Intel não está sozinha. Outros fornecedores quânticos estão trabalhando para desenvolver seus próprios chips e sistemas operacionais quânticos específicos. Há progresso tecnológico, como bibliotecas de código aberto e novos processadores qubit. A indústria até começou a explorar como combinar hardware em uma pilha completa para fornecer um serviço quântico na nuvem (mas o hardware deve existir primeiro).
Obviamente, os desafios permanecem.
Existem vários problemas com a computação quântica hoje. A indústria precisa de melhores dispositivos qubit e qubits de melhor qualidade. Independentemente do tipo de qubit, precisamos de materiais melhores.
Por exemplo, precisamos de materiais ainda mais limpos com interfaces mais nítidas do que usamos hoje para nossos processos de transistores. Além disso, ainda não vimos ninguém propor uma tecnologia de interconexão que seja mais elegante do que a forma como conectamos microprocessadores hoje.
Precisamos de um controle mais rápido e da capacidade de simplificar a fiação, tendo os chips de controle co-integrados perto do chip qubit. E, finalmente, precisamos demonstrar a correção de erros para podermos ter qubits mais estáveis que possam realizar os tipos de cálculos que eventualmente nos permitirão alcançar a praticidade quântica.
Para chegar lá, a Intel prevê um futuro híbrido para o quantum com a supercomputação clássica. No momento, estamos limitados a trabalhar com um número relativamente pequeno de qubits que podemos simular ou executar para que os algoritmos quânticos possam ser co-otimizados entre componentes clássicos e componentes quânticos. Partes do algoritmo podem ser executadas em um sistema clássico, com outros dados do sistema quântico. Um computador quântico de grande escala provavelmente terá um pequeno supercomputador ao lado dele. E a lista de materiais para um computador quântico pode ter mais do espaço de computação clássica do que do chip quântico real.
Qual será o próximo grande passo para toda a comunidade quântica?
O próximo grande "salto quântico" está provavelmente a cinco anos de distância, quando temos alguns milhares de qubits e podemos essencialmente criar um qubit lógico. Mas, mesmo assim, mais de um qubit lógico será necessário para fazer algo comercialmente relevante. Dito isto, avanços estão acontecendo no laboratório e mostrando imensa promessa para o que poderia ser possível. Para a Intel, colaborações em todo o setor, comunidades de pesquisa e academia impulsionaram descobertas convincentes no campo. Quanto mais exploramos, mais aprendemos, e quanto mais colaboramos, mais rápido vamos.
Para obter mais informações do ponto de vista da Intel sobre a corrida quântica e o hype da computação quântica versus realidades, leia meu artigo recente no IEEE Spectrum.
James Clarke é o diretor de Hardware Quântico da Intel Corporation.