Introdução ao curso

Clique abaixo para ouvir a introdução do curso feita por Olivia Lanes ou abra o vídeo em uma janela separada em YouTube.

Sobre este curso

Bem-vindo ao Quantum Computing in Practice - um curso que se concentra nos computadores quânticos atuais e em como usá-los em todo o seu potencial. Ele aborda casos de uso potencial realistas para a computação quântica, bem como as práticas recomendadas para executar e fazer experimentos com processadores quânticos com 100 ou mais qubits.

Utilidade quântica

Este é um momento empolgante para a computação quântica. Após muitos anos de pesquisa e desenvolvimento teórico e experimental, os computadores quânticos estão se aproximando de um ponto em que podem começar a competir com os computadores clássicos e demonstrar utilidade.

A utilidade não é a mesma coisa que a vantagem quântica, que se refere aos computadores quânticos que superam os computadores clássicos em tarefas significativas. Os computadores clássicos têm potência e adaptabilidade incríveis, e o fato é que os computadores quânticos simplesmente ainda não são capazes de superá-los. Vimos décadas de avanços na computação clássica - não apenas no hardware de computação, mas também nos algoritmos para computadores clássicos - e podemos observar com clareza que a tecnologia da computação digital eletrônica mudou radicalmente o nosso mundo.

A computação quântica, por outro lado, está em um estágio diferente de seu desenvolvimento. A computação quântica impõe exigências extremas ao nosso controle dos sistemas mecânicos quânticos e ultrapassa os limites da tecnologia atual, e não podemos esperar, de forma realista, dominar essa nova tecnologia e superar a computação clássica logo no início. Mas estamos vendo sinais que sugerem que os computadores quânticos estão começando a se tornar competitivos com os métodos de computação clássica para tarefas selecionadas, o que é uma etapa natural na evolução tecnológica da computação quântica conhecida como utilidade quântica.

À medida que a tecnologia avança e novos métodos para a computação quântica são desenvolvidos, podemos esperar que suas vantagens se tornem cada vez mais pronunciadas, mas isso levará tempo. Quando isso acontecer, é provável que vejamos uma interação de ida e volta com a computação clássica: demonstrações de computação quântica serão realizadas e a computação clássica responderá, a computação quântica dará outra volta e o padrão se repetirá. E, um dia, quando o desempenho de um computador quântico não puder ser igualado ao de um computador clássico, levantaremos a hipótese de que vimos uma vantagem quântica, mas mesmo assim não saberemos com certeza! Provar resultados de impossibilidade para computadores clássicos é, por si só, um problema incrivelmente difícil, até onde sabemos.

Simulando a natureza

Simuladores clássicos, ou seja, programas de computador executados em computadores clássicos que simulam sistemas físicos, podem fazer previsões sobre sistemas mecânicos quânticos. Mas os simuladores clássicos não são quânticos e não podem emular diretamente os sistemas quânticos. Em vez disso, eles usam cálculos matemáticos para aproximar o comportamento quântico. À medida que os tamanhos dos sistemas que estão sendo simulados aumentam, a sobrecarga necessária para fazer isso aumenta drasticamente, colocando limites nos sistemas quânticos que podem ser simulados classicamente, no tempo que as simulações exigem e na precisão dos resultados.

Os computadores quânticos, por outro lado, podem emular sistemas quânticos de forma mais direta e, como resultado, a sobrecarga que eles exigem aumenta significativamente à medida que o tamanho do sistema cresce. Essa, de fato, foi a ideia de Richard Feynman no site 1980s que motivou a primeira investigação sobre o potencial dos computadores quânticos. Teremos mais a dizer sobre isso mais tarde!

IBM® Pesquisadores publicaram um artigo em 2023 que demonstrou, pela primeira vez, que um computador quântico pode competir com as técnicas clássicas mais avançadas na simulação de um determinado modelo físico. Seus resultados ainda podem ser igualados por técnicas avançadas executadas em computadores convencionais — mas ele superou os algoritmos de força bruta, e também oferece um novo ponto de referência com o qual diferentes métodos de simulação (que não são exatos e nem sempre concordam em suas previsões) podem ser comparados.

Foco em processadores quânticos maiores

Os usuários que já utilizaram o hardware quântico d IBM, talvez tenham notado que os processadores menores que disponibilizávamos anteriormente ao público foram retirados de operação, dando lugar a processadores maiores (com mais de 100 qubits). Esses processadores menores poderiam ser facilmente simulados de forma clássica. Portanto, embora representassem marcos de acesso público no avanço da tecnologia, eles não tinham como demonstrar utilidade quântica: tudo o que se podia fazer com eles poderia ser feito com igual facilidade por meio de uma simulação clássica.

Porém, a partir de cerca de 100 qubits, isso já não se aplica. Em geral, processadores quânticos desse tamanho já não podem ser simulados por meios clássicos. Isso representa uma espécie de transição de fase para uma nova era da tecnologia de computação quântica, na qual existe o potencial de superar o desempenho da computação clássica. É nesse ponto que a IBM decidiu concentrar seus esforços — buscando o poder computacional quântico e avançando rumo a uma eventual vantagem quântica.

Incentivamos nossos usuários a usar esses novos dispositivos em todo o seu potencial, a fazer experiências com eles e ultrapassar seus limites, e a levar adiante as lições aprendidas para a próxima geração de processadores quânticos atualmente em desenvolvimento. O objetivo deste curso é permitir que você faça isso!

Público-alvo e objetivos do curso

Este curso é destinado a qualquer pessoa que pretenda desenvolver novas aplicações para computadores quânticos, queira ampliar seu trabalho atual na área de computação quântica ou aprender a utilizar processadores quânticos em seu fluxo de trabalho. Isso inclui não apenas físicos e cientistas da computação, mas também engenheiros, químicos, cientistas de materiais e qualquer outra pessoa interessada em dominar o hardware de computação quântica.

O curso será prático e se concentrará no uso prático de computadores quânticos. Entre os tópicos e habilidades abordados estão os seguintes:

Execução de trabalhos em escala de utilidade em processadores quânticos por meio de Qiskit Runtime
Uso de técnicas de atenuação de erros para melhorar os resultados de hardware
Áreas de aplicação em potencial para computadores quânticos de curto prazo

Este curso não aborda a teoria introdutória da computação quântica e pressupõe uma familiaridade básica com qubits e circuitos quânticos. O curso Basics of quantum information (Noções básicas de informações quânticas ) nesta plataforma aborda esse material e é recomendado primeiramente para os iniciantes em computação quântica.

A história da computação

A computação quântica é uma nova e empolgante tecnologia em um estágio inicial de desenvolvimento, mas é apenas um capítulo de uma história que remonta a milhares de anos. É a história da computação e suas conexões multifacetadas com o mundo físico.

Dispositivos de computação desde os tempos antigos

Desde a antiguidade, nós, humanos, precisamos realizar cálculos - ou, em outras palavras, processar informações de acordo com determinadas regras e restrições - para possibilitar a comunicação, a construção, o comércio, a ciência e outros aspectos de nossas vidas. Buscamos ajuda no mundo físico e, por meio de descobertas engenhosas, construímos dispositivos para nos ajudar a computar.

Há muito tempo, dispositivos feitos de madeira, osso e cordas com nós armazenavam informações e facilitavam os cálculos. Os dispositivos mecânicos construídos a partir de alavancas, engrenagens e outras máquinas avançaram desde os primeiros relógios astronômicos, passando por calculadoras, até sofisticados dispositivos de computação, como analisadores diferenciais que resolviam equações usando rodas e discos giratórios. Até mesmo a tecnologia da escrita desempenhou um papel importante nessa história, permitindo que as pessoas realizassem cálculos que, de outra forma, não seriam capazes de fazer.

Quando pensamos em computadores atualmente, tendemos a pensar em computadores digitais eletrônicos. Mas, na verdade, essa é uma tecnologia bastante recente: os computadores digitais eletrônicos foram construídos pela primeira vez em 1940s. (Em contrapartida, acredita-se que o ábaco sumério tenha sido inventado entre 2700 e 2300 a.C.) A tecnologia avançou drasticamente desde então, e os computadores agora são onipresentes. Eles são encontrados em residências, locais de trabalho e nos veículos que nos transportam entre eles, e muitos de nós os carregamos conosco para onde quer que vamos.

Também temos supercomputadores, que são grandes coleções de processadores clássicos potentes conectados em paralelo. Eles estão entre as melhores ferramentas que a humanidade já construiu para resolver problemas difíceis, e sua potência e confiabilidade continuam avançando. Mas, ainda assim, há problemas computacionais importantes que nem mesmo esses gigantes serão capazes de resolver, devido à dificuldade computacional inerente a esses problemas.

Conexões com o mundo físico

Os computadores têm muitos usos. Um uso importante para os computadores é aprender sobre o mundo físico e entender melhor seus padrões. Os usos históricos nessa categoria incluem a previsão de eclipses e marés, a compreensão do movimento de corpos astronômicos e (em tempos um pouco mais recentes) a modelagem de explosões. Atualmente, não há praticamente nenhum laboratório de física no mundo sem um computador.

De modo mais geral, a física e a computação sempre estiveram interligadas. A computação não pode existir em um vácuo: a informação requer um meio e, para computar, precisamos aproveitar o mundo físico de alguma forma. Rolf Launduer, um cientista da computação (e funcionário da IBM), reconheceu há décadas que a informação é física, existindo apenas por meio de uma representação física. O princípio de Landauer estabelece uma conexão entre a informação e as leis da termodinâmica, mas, na verdade, há muitas conexões.

Entender o mundo físico é o objetivo da física como disciplina, mas, na verdade, é uma via de mão dupla. Por meio de nossa compreensão do mundo físico, podemos aproveitar as novas tecnologias para nos ajudar a computar e, por meio delas, continuamos a aprender sobre o mundo físico - essencialmente, puxando a física e a tecnologia computacional pelas botas.

Lei de Moore

A lei de Moore é uma observação de que o número máximo de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos, aproximadamente. Nas últimas cinco décadas, não apenas observamos essa tendência, mas também colhemos seus frutos. Com mais transistores em um chip, podemos realizar cálculos mais complexos e mais rápidos. É por isso que os computadores têm se tornado cada vez mais potentes ao longo do tempo.

No entanto, a "lei" de Moore está, necessariamente, chegando ao fim. Os especialistas discordam sobre quando isso ocorrerá, e alguns argumentam que já ocorreu. Mas sabemos com certeza que isso deve acabar inevitavelmente porque há um limite teórico para a miniaturização dos componentes de computação. Não é possível fazer um transistor menor que um átomo! Embora isso possa parecer exagerado, esse é o muro do qual estamos nos aproximando.

A solução não é desistir e dizer: “Bem, melhor do que isso não vai ficar.” Isso vai contra a natureza humana. Em vez disso, devemos buscar novas ferramentas computacionais no mundo físico, e é aí que a computação quântica entra em cena.

Computação quantum

Mecânica quântica e computação

A mecânica quântica foi descoberta no início do século XX e já desempenhou um papel importante na computação. De fato, nossa compreensão da mecânica quântica tornou possível, em parte, os computadores modernos. Sem a mecânica quântica, por exemplo, é difícil imaginar que o disco rígido de estado sólido tenha sido inventado.

Computação quântica em teoria

Quando Richard Feynman propôs pela primeira vez a noção de um computador quântico em 1982, seu foco era a simulação de sistemas de mecânica quântica. Os cálculos necessários para fazer isso pareciam muito difíceis para os computadores comuns, mas talvez, com um computador que opere de acordo com uma descrição mecânica quântica do mundo, os sistemas possam ser emulados diretamente.

Atualmente, esse é um dos caminhos mais promissores para a computação quântica. Até onde sabemos, a natureza não é clássica - é quântica. Assim, os computadores quânticos podem ser ferramentas valiosas para compreendê-la. Os computadores clássicos, por outro lado, só podem fazer aproximações do que realmente ocorre na natureza e, em alguns casos, essas aproximações são muito limitadas.

Uma maneira de pensar sobre isso é por meio de uma analogia com os túneis de vento. A dinâmica dos fluidos é notoriamente difícil de simular e prever matematicamente. Por exemplo, simular um carro dirigindo em condições de vento é muito caro e pouco prático; por isso, as montadoras constroem túneis com vento artificial e conduzem os carros por eles para testar seu desempenho. Ou seja, eles geram vento em vez de simulá-lo. Construir um computador quântico para estudar o mundo físico é como construir um túnel de vento para estudar como o vento afeta os carros. Os computadores quânticos podem emular diretamente as leis da Natureza em nível molecular, pois agem de acordo com essas leis, ou seja, eles emulam a Natureza em vez de simulá-la por meio de fórmulas e cálculos.

Outros seguiram as ideias de Feynman e associaram essas ideias a uma teoria da informação quântica que já estava em andamento em seu desenvolvimento. Nasceu o campo da informação e computação quânticas. Desde então, tornou-se um campo de estudo rico e multidisciplinar, e inúmeras vantagens da informação e da computação quânticas em relação às clássicas foram identificadas em uma ampla variedade de configurações teóricas que envolvem comunicação, computação e criptografia.

Computação quântica na prática

Em termos práticos, são necessárias duas coisas para transferir esses tipos de vantagens teóricas para vantagens no mundo real: os próprios dispositivos e as metodologias para desbloquear seu potencial.

Ao contrário dos computadores clássicos, ninguém tem um computador quântico guardado em seu bolso. Até muito recentemente, se você quisesse fazer experimentos com um computador quântico, teria que construir e manter um você mesmo (geralmente em um triste laboratório no subsolo de uma universidade ou centro de pesquisa), e você teria apenas alguns qubits muito barulhentos, no máximo. Esse não é mais o caso. Em 2016, a IBM Quantum® colocou o primeiro processador quântico na nuvem. Ele tinha apenas 5 qubits e taxas de erro razoavelmente altas, mas evoluímos muito desde então. Resumiremos o estado atual da tecnologia em uma seção abaixo.

Além de construir computadores quânticos, também precisamos desenvolver metodologias para usá-los de forma eficaz. Embora os avanços teóricos em algoritmos e protocolos quânticos sugiram um grande potencial, ainda temos o desafio de encontrar usos práticos para a computação quântica. Os computadores quânticos atuais ainda não podem realizar os cálculos tolerantes a falhas necessários para transferir as vantagens teóricas conhecidas para vantagens práticas. No entanto, eles estão além do alcance das simulações clássicas de computador, e podemos tentar aproveitar esse fato para obter potência computacional.

Com esses avanços, temos uma nova ferramenta de computação, e cabe a nós descobrir o que podemos fazer com ela.

Aplicações potenciais

Não se espera que a computação quântica seja útil para estudar o desempenho dos carros com o vento. Mas há outros processos físicos - como os envolvidos no projeto de baterias ou em determinadas reações químicas - em que a capacidade de um computador quântico de emular a natureza poderia levar a uma vantagem quântica. De modo mais geral, há muitos problemas que são muito difíceis ou caros até mesmo para os supercomputadores de ponta, inclusive problemas altamente relevantes para a nossa sociedade. A computação quântica pode não oferecer soluções para todos eles, mas pode oferecer soluções para alguns.

As três áreas de aplicação a seguir representam metas na área de computação quântica ruidosa, antes da implementação da correção de erros quânticos e da tolerância a falhas.

Otimização
Simulação da natureza
Encontrar estrutura nos dados (incluindo aprendizado de máquina)

Discutiremos esses tópicos em mais detalhes posteriormente no curso.

Estado da tecnologia

A construção de computadores quânticos é um desafio tecnológico difícil, e faz apenas 8 anos que pequenos computadores quânticos estão disponíveis publicamente. Nesses 8 anos, progredimos em muitas frentes.

Vários processadores quânticos IBM estão agora acessíveis por meio da nuvem, todos com mais de 100 qubits. Mas não é apenas o tamanho dos processadores que é importante - essa é apenas uma métrica com a qual nos preocupamos. A qualidade das portas também melhorou muito, e também introduzimos métodos de redução e mitigação de erros intrínsecos aos sistemas quânticos, mesmo quando avançamos para a criação de sistemas tolerantes a falhas. Três métricas básicas - escala, qualidade e velocidade - são vitais para acompanhar a melhoria do desempenho.

Tamanho. Obviamente, quanto mais qubits, melhor, mas somente se o aumento do número não prejudicar o desempenho (o que pode acontecer). Na verdade, queremos mais qubits de boa qualidade que não interfiram uns nos outros por meio de interferência indesejada quando não queremos que isso aconteça. A forma como os qubits estão conectados entre si também é importante, e descobrir a melhor maneira de fazer isso representa um desafio para os circuitos de qubits supercondutores.
Qualidade. Outra métrica importante que observamos, para acompanhar a melhoria do desempenho ao longo do tempo, é a fidelidade da porta de 2 qubit. As portas que funcionam em qubits únicos não são tão propensas a erros quanto as portas de 2 qubits, que são, portanto, a maior preocupação. (As portas de 2 qubits também são cruciais porque são responsáveis pela criação de emaranhamento entre os qubits, que é que, segundo a hipótese, é um dos fenômenos físicos que confere à computação quântica seu poder)
Velocidade. A última é a velocidade e a eficiência. Em resumo, o tempo gasto na execução de um programa (incluindo as partes quântica e clássica) deve ser o mais curto possível.

Conclusão

É realmente um momento empolgante para trabalhar no campo da computação quântica: pela primeira vez na história, podemos começar a explorar uma região da computação que está além da computação clássica.

T.J. Watson uma vez previu um mercado mundial para apenas alguns computadores. Podemos rir agora do quão longe ele estava, mas ao fazermos isso, devemos reconhecer que temos o benefício da retrospectiva. E também devemos reconhecer que, como seres humanos, temos uma tendência geral de subestimar muito o potencial das tecnologias futuras. Agora que chegou a nossa vez e assumimos o papel de pioneiros da computação quântica, devemos ter isso em mente.

A computação quântica é frequentemente comparada à computação clássica, sendo vista como algo distintamente diferente dela e em concorrência com ela. Mas, numa perspectiva mais ampla, podemos ver a computação quântica simplesmente como mais um capítulo de uma longa história. É da nossa natureza, como seres humanos, buscar novas formas de computação e aproveitar o poder que o mundo natural nos oferece para isso. Fazemos isso há séculos. A computação quântica nos oferece uma nova ferramenta nessa jornada, e cabe a nós descobrir como podemos aproveitar o potencial que ela nos oferece.

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