Medindo o progresso em uma era de computação quântica barulhenta

O conceito de "volume quântico" da IBM propõe mover a medição do progresso na computação quântica além de apenas contar qubits

A IBM cunhou o termo "volume quântico" para medir o progresso na computação quântica enquanto a tecnologia quântica ainda está longe do ideal



Medir o progresso dos computadores quânticos em uma era de computação quântica "barulhenta" pode ser um desafio. Algumas empresas, notadamente IBM e Honeywell, optaram por avanços como "volume quântico". No entanto, nem todas as empresas e pesquisadores concordam com a utilidade dessa medida no mundo da computação quântica.



Em um mundo ideal, os pesquisadores poderiam medir o progresso da computação quântica com base no número de bits quânticos (qubits) em cada um dos computadores. No entanto, o ruído do movimento térmico ou de fontes eletromagnéticas constantemente ameaça interferir destrutivamente com os cálculos realizados por qubits frágeis. Como resultado, é muito difícil avaliar de forma confiável as capacidades dos computadores quânticos com base apenas no número total de qubits. Portanto, pesquisadores da IBM propuseram introduzir o conceito de volume quântico como uma medida mais confiável aplicável neste estágio de desenvolvimento da tecnologia ainda não ideal de computação quântica.



“Você pode pensar no volume quântico como o número médio de circuitos em um computador quântico operando nas piores condições”, diz Jay Gambetta , cientista pesquisador e vice-presidente de computação quântica da IBM. “O resultado significa que, se essa condição de 'pior caso' for possível, o volume quântico será uma medida da qualidade dos circuitos. Quanto maior a qualidade, mais circuitos complexos podem funcionar em computadores quânticos. "



Mais especificamente, a equipe da IBM define o volume quântico como dois à potência correspondente ao tamanho da maior cadeia com a mesma largura e profundidade, capaz de passar em certos testes de confiabilidade. Testes validam gateways de dois qubit aleatórios, diz Daniel Lidar, diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da Informação Quântica da University of Southern California em Los Angeles. O tamanho da cadeia é determinado pela largura, com base no número de qubits, ou pela profundidade, com base no número de travas. Nesse caso, a largura e a profundidade são quantitativamente iguais.



Isso significa que um sistema de computação quântica de 6 qubits terá um volume quântico igual a 2 elevado à 6ª potência, ou 64 - mas apenas se seus qubits dependerem relativamente pouco de ruído, sem fornecer erros associados. Portanto, para determinar o volume quântico, a escolha de um teste de confiabilidade específico é importante.



Lidar, que não estava envolvido no conceito de volume quântico, o considera uma medida útil para os computadores quânticos de hoje. Sua tecnologia é chamada de Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). “Essa métrica descreve perfeitamente o desempenho dos computadores quânticos na era NISQ. Esta era é caracterizada pelo fato de que o ruído ainda é um dos principais fatores que limitam a profundidade de circuitos de trabalho confiável. "



Desde que a IBM começou a usar ativamente o termo no final de 2019, o volume quântico já é bastante comum em artigos de computação quântica e comunicados à imprensa da IBM e de outras empresas, em particular a Honeywell . Porém, pelo menos um diretor de empresa de tecnologia já expressou a ideia de que a utilidade do termo logo se esgotará.



Discutindo os últimos desenvolvimentos no campo dos computadores quânticos da IonQ em uma entrevista , Peter Chapman descreveu como a redução de ruído poderia permitir um sistema de alta precisão de 32 qubit com um volume quântico da ordem de 4 milhões. Ele sugeriu que em apenas 18 meses, os valores do volume quântico aumentariam tanto que os pesquisadores terão que mudar a definição para que continue útil.



No entanto, Lidar não concorda que o termo "volume quântico" irá desaparecer rapidamente no esquecimento. Ele aponta para o fato de que o volume quântico crescerá tão rapidamente apenas por causa da parte da definição em que dois é elevado à potência. Ele acrescentou que a IBM nem mesmo usou essa exponenciação em seu primeiro trabalho.sobre este tema publicado em 2017. “É apenas uma falha na própria definição”, diz Lidar.



Lidar afirma que a maneira mais fácil seria determinar o volume quântico de acordo com o maior número de qubits ou gateways, e não usar exponenciação.



Nem todo mundo considera o volume quântico um parâmetro tão importante ou necessário para avaliar o progresso da computação quântica. Não está claro se o progresso dos computadores quânticos deve ser reduzido a um único parâmetro, diz Scott Aaronson , cientista da computação e diretor do centro de informações quânticas da Universidade do Texas em Austin. Ele destacou essa e outras questões sobre o tema em seu artigo " Parafusar o volume quântico " [ volume - volume, bem como volume / aprox. trad. ]



“Este é apenas mais um possível índice generalizado do consumidor da frieza dos computadores quânticos, entre as inúmeras alternativas”, diz Aaronson.



Do ponto de vista prático, apenas os grandes players do setor como a IBM estão preocupados com o volume quântico. É o que diz Javad Shabani , professor associado de física e presidente do laboratório Shabani da Universidade de Nova York. Ele e outros pesquisadores geralmente não têm acesso a esses grandes sistemas quânticos, mesmo que mais e mais empresas forneçam acesso à nuvem para esses sistemas para programadores.



Ainda assim, Shabani vê o volume quântico como um conceito útil, que define de maneira mais significativa o progresso na computação quântica do que simplesmente contar qubits. Ele, como Lidar, propõe deixar o volume quântico nos negócios enquanto o ruído é o fator limitante - seja nos próximos cinco ou dez anos.



“Se você puder criar um qubit lógico imune a ruídos, esse conceito de volume quântico desaparecerá lentamente de forma natural”, diz Shabani.