Segundo McGeoch et al. [1], o computador quântico da D-WAVE funciona da seguinte forma: “Na natureza os sistemas sempre buscam os estados de menor energia. Quantum Anneling (QA) usa física quântica para encontrar estados de menor energia da matéria, resolvendo assim problemas complexos de otimização de sistemas”. Entendi que o problema é recebido via nuvem computacional convencional e mapeado para estados quânticos no computador. Naturalmente, ele decai para estados de menor energia, resolvendo o problema colocado por tabelinha. Ou seja, a configuração quântica resultante é o resultado do problema carregado fisicamente. É basicamente computar com as leis da física na matéria/energia.

Assim sendo, o programa que é carregado nesse tipo de computador (que usa a técnica de anelamento) deve ser um problema de minimização de variáveis. Por exemplo, qual combinação de ingredientes resulta em uma ração de galinhas efetiva e que gasta menos. Logo, esse tipo de computador não serve para rodar qualquer programa. Serve sim para rodar programas de minimização. Segundo Catherine McGeoch [1], a única empresa que constrói e vende computadores quânticos com a técnica QA é a D-Wave. Esses computadores se baseiam nas propriedades de superposição e emaranhamento de estados de bits quânticos, os chamados qubits. O computador mais potente da D-Wave possui um circuito supercondutor com 2048 qubits operando a 20 mK (0,02 acima do zero absoluto de temperatura). Mais de 100 aplicações diferentes são suportadas. Dentre algumas das aplicações mais interessante estão: (i) roteamento de veículos em condições normais e catástrofes; (ii) projeto de redes de telecomunicações; (iii) aprendizado de máquina; (iv) análise de dados topográficos; (v) fabricação de veículos; (vi) diagnóstico de falhas em redes; (vii) modelamento de dinâmica molecular; (viii) modelamento de eleições; (ix) análise de estruturas químicas e biológicas; (x) agendamento de satélites.

O computador implementado pela D-Wave é uma rede de qubits acoplados aos pares e enviesados de acordo com o problema de minimização que se quer resolver. O problema é resolvido a partir da configuração de valores de spin em elétrons (+1 e -1) de tal forma que a função objetivo carregada seja minimizada. O método envolve a inicialização de qubits em estados quânticos que exploram todas as soluções possíveis simultaneamente. Então, a força relativa dos acoplamentos aos pares e viéses configurados pelo problema são ajustados, levando o sistema ao mínimo de energia, que é a solução. Cada vez que a força relativa é modificada, trata-se de um “recozimento” (annealing). O computador normalmente encontra uma solução quase-ótima em alguns recozimentos, mas para encontrar o ótimo global pode ser muito mais demorado.

Nesse momento, a D-Wave está desenvolvendo uma nova arquitetura (chamada de Pegasus) que possuirá mais qubits, mais acopladores entre eles e uma contagem maior de acopladores por qubit (ao invés de pares, outras topologias). De acordo com [2], os computadores Pegasus terão 5000 qubits e três vezes mais interconexões entre os qubits. O ambiente de desenvolvimento de software (em Python e C++) para esses computadores é chamado de Leap.

Referências:

[1] C. C. McGeoch et al. “Practical Annealing-Based Quantum Computing”. Em: Computer 52.6 (jun. de 2019), pp. 38–46. ISSN: 1558-0814. DOI: 10.1109/MC.2019. 2908836.

[2] ACM News, R. Colin Johnson, World’s Largest Quantum Computer Doubles Down. https://cacm.acm.org/news/236266-worlds-largest-quantum-computer-doubles-down/fulltext/.

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