A computação quântica tem o potencial de criar novas máquinas que podem exceder em muito as capacidades dos supercomputadores mais poderosos de hoje. O desenvolvimento contínuo de computadores quânticos criará uma nova classe de instalação de processamento de dados, que em muitos casos será muito diferente dos data centers corporativos e em nuvem vistos hoje.

Embora os pesquisadores ainda demorem alguns anos para descobrir a promessa completa da computação quântica, nunca é cedo demais para explorar o que a tecnologia pode significar para as instalações de computação. O Google recentemente ofereceu uma olhada em seu Quantum AI Lab, um protótipo inicial de como os data centers quânticos podem ser. A instalação em Santa Bárbara, Califórnia, é onde o Google espera criar o primeiro computador quântico com correção de erros, um marco importante na aplicação da tecnologia.

A instalação reflete uma abordagem à computação quântica, mas ilustra como esses edifícios serão muito diferentes da geração atual de data centers em nuvem e HPC (computação de alto desempenho).

Um exemplo: um computador quântico simples tem o tamanho de uma sala, apresentando um criostato que mantém o processador quântico em uma temperatura superfria de cerca de 10 miliKelvin - tornando o criostato um dos lugares mais frios do universo conhecido.

De Bits a Qubits

Um computador quântico aproveita a mecânica quântica para fornecer grandes avanços em poder de processamento. Em vez dos bits binários usados ​​por computadores digitais, os computadores quânticos usam qubits - partículas subatômicas como elétrons ou fótons - que podem ser aproveitados para gerar muito mais poder de processamento do que um número equivalente de bits binários.

“Com um computador clássico, você começa com blocos de construção que são chamados de bits”, explica Erik Lucero, Cientista Pesquisador do Google. “Esses bits podem ser como uma chave, zero ou um. Em um computador quântico, os blocos de construção fundamentais são bits quânticos. Eles também são conhecidos como qubits, e os qubits podem, na verdade, estar em uma superposição de estados. Ou seja, eles podem ser zero e um ao mesmo tempo.

“Isso permite um espaço computacional muito rico, agora que você tem essa superposição de estados para realmente fazer o cálculo”, disse Lucero. “Isso abre um mundo totalmente novo de novos recursos computacionais.”

O Google espera criar um sistema no qual 1 milhão de qubits físicos possam trabalhar em conjunto dentro de um computador quântico corrigido de erros do tamanho de uma sala. É um grande salto em relação aos sistemas modestos de hoje, com menos de 100 qubits. O Google está atualmente trabalhando na construção do primeiro "transistor quântico" do mundo - dois "qubits lógicos" com correção de erros realizando operações quânticas juntas - e, em seguida, descobrir como unir centenas a milhares deles para formar o computador quântico corrigido de erro, um processo a empresa diz que levará anos.

“Nós realmente projetamos este para ser o tipo de lugar onde podemos atingir vários desses marcos ao longo do caminho”, disse Lucero. “Cada um desses criostatos são sistemas nos quais nossa equipe gastou muitas e muitas horas em projetos e personalizações para torná-los alguns dos computadores quânticos mais poderosos do mundo. Podemos fazer o impossível. e vemos a computação quântica como algo que pode ser um investimento de 10 anos, mas na outra ponta estará esta ferramenta para a humanidade. Isso nos dá a capacidade de inventar o futuro. ”

Aqui está um tour em vídeo do Quantum AI Lab, no qual Lucero fornece uma visão geral do processador Sycamore do Google e do ambiente criostato, bem como um roteiro futuro para a computação quântica.

O projeto da instalação é uma partida significativa dos enormes data centers em nuvem que o Google opera, que apresentam fileiras e mais fileiras de racks cheios de servidores e armazenamento. Para uma visão mais detalhada, consulte Por dentro de um data center do Google: versão 2020 .

Para profissionais de data center que estão acostumados com resfriamento em nível de sala ou contenção de corredor, uma das maiores mudanças é o uso de criostatos em instalações de computação quântica para criar ambientes extremamente frios para processamento. Lucero explicou como o sistema de refrigeração cria essas temperaturas.

“Essas geladeiras, também chamadas de geladeiras de diluição ou criostatos, usam uma tecnologia semelhante às geladeiras que você tem em casa - com algumas exceções”, disse Lucero. “Primeiro, evacuamos todo o sistema, por isso está sob vácuo. E então temos dois estágios de resfriamento. A ideia é semelhante a apenas aplicar anticongelante na geladeira em casa, mas em vez de aplicar anticongelante, executamos uma diluição de hélio, onde usamos hélio 3 e hélio 4, sendo o hélio 4 o isótopo de hélio mais abundante que existe. Com essas técnicas, podemos comprimir esse hélio e fazer o resfriamento da mesma forma que você faria em sua geladeira em casa. Mas ficamos muito, muito mais frios. ”

Os aspirantes quânticos usam abordagens diferentes

O Google é apenas uma das organizações que buscam desenvolver um computador quântico. Outros jogadores importantes com laboratórios quânticos incluem IBM, Honeywell, Intel, Microsoft e Amazon Web Services. Há também um grupo de startups focadas em computação quântica, incluindo duas que nas últimas semanas revelaram planos de se tornarem negociadas publicamente. No mês passado, o IonQ tornou-se público quando foi adquirido por uma SPAC (empresa de aquisição de propósito específico), e a Rigetti Computing anunciou uma compra semelhante por uma SPAC pública.

Essas empresas usam várias estratégias diferentes em sua abordagem da computação quântica. Isso tem implicações para o projeto das instalações, conforme explicado pela Dra. Celia Merzbacher, Diretora Executiva do Quantum Economic Development Consortium (QED-C), que visa habilitar e fazer crescer a indústria quântica dos EUA.

Em uma palestra no Data Center World no verão passado, Merzbacher observou que a Honeywell e a IonQ usam uma abordagem conhecida como computação quântica de íons presos, que não requer criostatos ou ambientes superfrios usados ​​pelo Google e IBM.

“Podemos estar usando um computador quântico Honeywell que opera em temperatura ambiente”, disse Merzbacher. “A forma como eles resfriam esses íons presos é com lasers, então é um resfriamento a laser muito localizado. Ainda não sabemos exatamente qual computador quântico é provavelmente o mais usado. (Para gerentes de data center), não é algo com que se preocupar agora, é mais algo para assistir. ”

Em um futuro previsível, haverá um pequeno número de instalações de computação quântica, devido ao custo e à complexidade da tecnologia.

“Por enquanto, os computadores quânticos serão acessados ​​pela nuvem, em parte por causa dessa questão da sensibilidade ao meio ambiente”, disse Merzbacher. “As empresas que estão fazendo isso querem controlar esse ambiente com muito cuidado, pois é meio frágil e dinâmico. Mas você pode acessar os exemplos de nuvem de computadores quânticos hoje e provavelmente será o caso por algum tempo. ”