Cientistas da Quantinuum anunciaram a criação do Helios, um computador quântico inovador considerado o mais poderoso disponível atualmente. Este novo sistema possui capacidades que ultrapassam até mesmo os supercomputadores mais poderosos, exigindo potencialmente mais energia do que um quasar – um objeto celeste incrivelmente brilhante – para alcançar um desempenho comparável utilizando métodos de computação convencionais. A descoberta contém um imenso potencial para descobertas científicas e avanço tecnológico.
A Arquitetura de Helios
No centro do Helios está uma unidade de processamento quântico (QPU) composta por 98 qubits físicos, cada um criado a partir de íons de bário. Esses qubits são organizados em uma formação única de “armadilha de íons de junção”, semelhante a um anel com uma junção cruzada em sua base e se estendendo em duas hastes paralelas.
Aumentando o desempenho por meio da correção de erros
Este arranjo distinto melhora significativamente a detecção e correção de erros, levando a um desempenho superior em comparação com as QPUs existentes. Os cientistas da Quantinuum conseguiram isso mesclando os 98 qubits físicos em 48 qubits lógicos totalmente corrigidos por erros. Esses qubits lógicos funcionam como conjuntos emparelhados, incorporando qubits sobressalentes para minimizar a probabilidade de falha. A equipe demonstrou “desempenho melhor do que o ponto de equilíbrio”, o que significa que os códigos de correção de erros realmente melhoram a saída do processador em comparação com a execução de cálculos sem eles – um feito desafiador. Embora as suposições anteriores sugerissem uma proporção de 10:1 de qubits físicos para lógicos, a Quantinuum alcançou uma proporção impressionante de 2:1, abrindo caminho para a escalabilidade para sistemas ainda maiores.
Nova linguagem de programação e mecanismo de controle
Para complementar o hardware, a equipe desenvolveu o Guppy, uma nova linguagem de programação baseada no amplamente utilizado Python, projetada para compatibilidade com futuros sistemas tolerantes a falhas. Crucialmente, eles também construíram uma pilha de controle sofisticada, incluindo um mecanismo de controle em tempo real – o “cérebro clássico” da máquina – que pode detectar e resolver erros. Este mecanismo usa GPUs Nvidia para decodificar informações de erro e enviar correções de volta ao computador quântico, garantindo operação eficiente e mitigação de erros.
Benchmarking e Fidelidade
O sistema Helios demonstrou desempenho excepcional em uma série de experimentos de benchmark. O QPU alcançou uma fidelidade notável de 99,921% em todos os pares de qubit e 99,9975% de fidelidade em portas quânticas de qubit único. A equipe quebrou recordes anteriores no benchmark de amostragem de circuito aleatório (RCS) – anteriormente estabelecido pelo Willow QPU do Google – solidificando ainda mais a posição da Helios como líder em computação quântica.
A importância da correção de erros
Embora alguns computadores quânticos tenham mais qubits físicos, o desempenho depende da qualidade do qubit e da minimização das taxas de erro. É por isso que os cientistas estão cada vez mais se concentrando na correção quântica de erros (QEC), que aborda as taxas de erro significativamente mais altas em qubits em comparação com bits em computadores convencionais.
Novas descobertas através da simulação
Para mostrar as capacidades do Helios, os cientistas simularam um metal supercondutor de alta temperatura, revelando um comportamento de elétrons até então desconhecido. Eles descobriram que os elétrons se emparelham por meio de emaranhamento enquanto estão em estado supercondutor – uma “assinatura de supercondutividade” – e essa assinatura desaparece quando o metal não é supercondutor.
Observando o Inobservável
Esta observação resultou de um modelo baseado em um experimento anterior, onde os cientistas induziram brevemente a supercondutividade em um pedaço do metal La3Ni2O. Esta simulação permitiu aos cientistas observar fenómenos a nível atómico – algo impossível em experiências tradicionais de “laboratório húmido” onde o material está presente. A nova máquina marca o primeiro computador quântico capaz de observar este fenómeno, abrindo novos caminhos para a investigação em ciência dos materiais.
O caminho a seguir
Tendo estabelecido esta arquitetura inovadora de computação quântica, a Quantinuum está confiante em sua escalabilidade. O design da armadilha de íons de junção permite roteamento e emparelhamento eficiente de qubits, e os pesquisadores prevêem a integração de inúmeras dessas junções em máquinas futuras, permitindo escalabilidade massiva e aproximando a computação quântica de superar as capacidades dos supercomputadores clássicos.
“Você pode pensar nisso como uma interseção de tráfego para os qubits roteá-los de maneira realmente eficiente e emparelhá-los”, disse Hayes, referindo-se à junção após o anel no novo arranjo. “E agora que temos isso funcionando, achamos que deveria ser bastante simples inserir muitas dessas coisas, tentando fechar a janela para a máquina da próxima geração e realmente dimensionar essas máquinas para números enormes.”
O desenvolvimento do Helios representa um salto significativo na computação quântica, oferecendo potência e precisão sem precedentes para a exploração científica e abrindo caminho para avanços futuros em vários campos.
