Marc Sureda
A IBM e a Cisco anunciaram uma colaboração de longo prazo para estabelecer as bases da computação quântica distribuída em rede, com o horizonte definido para os primeiros anos da década de 2030.
Ambas as empresas pretendem explorar como escalar sistemas quânticos tolerantes a falhas para além do atual roteiro da IBM e, ao mesmo tempo, abordar os desafios de levar a computação quântica para ambientes interligados através da Internet. O acordo combina os esforços da IBM na construção de computadores quânticos com o trabalho da Cisco em redes quânticas para escalar sistemas quânticos tolerantes a falhas e enfrentar os desafios de levar essa tecnologia para a Internet.
Em termos de marcos temporais, a IBM e a Cisco estabeleceram uma meta intermediária de cinco anos: mostrar uma primeira prova de conceito de uma rede que combine vários computadores quânticos individuais, de grande escala e tolerantes a falhas, de forma que possam trabalhar em conjunto num mesmo cálculo. De acordo com o plano comunicado, esta rede permitiria abordar operações que envolvem dezenas ou centenas de milhares de qubits e que requerem potencialmente bilhões de portas quânticas, ou seja, operações de entrelaçamento de alta complexidade. Entre as aplicações previstas estão problemas de otimização de grande dimensão e o design de materiais e medicamentos complexos. Num prazo de cinco anos, ambas as empresas aspiram mostrar uma primeira prova de conceito de rede que conecte vários computadores quânticos em grande escala e tolerantes a falhas, capazes de realizar cálculos conjuntos com dezenas ou centenas de milhares de qubits.
Paralelamente, a IBM mantém a sua rota para oferecer computadores quânticos em grande escala e tolerantes a falhas antes do final da década atual. A colaboração com a Cisco pretende ir além da máquina individual e estudar como conectar vários computadores quânticos por meio de uma rede distribuída que amplifique a capacidade total de cálculo. A abordagem descrita compreende o sistema como um todo, incluindo o hardware que conectará os computadores quânticos, o software que coordenará os cálculos entre eles e a inteligência de rede necessária para gerenciar essas operações.
Rumo a uma rede de computação quântica distribuída
No campo técnico, a IBM e a Cisco planeiam investigar em conjunto hardware e software que permitam conectar fisicamente um grande número de computadores quânticos em grande escala e tolerantes a falhas, com o objetivo de formar uma rede de computação quântica distribuída. As empresas pretendem realizar uma demonstração inicial desta rede no final de 2030, com base no entrelaçamento de qubits provenientes de computadores quânticos independentes localizados em diferentes ambientes criogénicos. Para atingir este objetivo, será necessário desenvolver novas conexões, entre as quais se destacam transdutores óticos de micro-ondas e uma pilha de software de suporte específico. A primeira demonstração desta rede distribuída está prevista para o final de 2030, com o objetivo de entrelaçar qubits provenientes de computadores quânticos independentes instalados em diferentes ambientes criogénicos.
A Cisco articula a sua visão de um centro de dados quântico sobre uma arquitetura concebida para tornar operacional a computação quântica distribuída num horizonte temporal considerado próximo pelas empresas. Esta proposta contempla uma pilha completa de hardware e software orientada para preservar os estados quânticos, gerir os recursos de entrelaçamento, permitir o teletransporte de estados entre computadores quânticos e sincronizar as operações com uma precisão inferior a um nanossegundo.
Além da conexão entre dois computadores quânticos localizados em locais próximos, a colaboração prevê analisar como transmitir qubits a distâncias maiores, por exemplo, entre edifícios ou entre centros de dados. Para isso, a IBM e a Cisco estudarão o uso de fótons óticos e transdutores óticos de micro-ondas, bem como a forma de integrar essas tecnologias em uma rede quântica que possa transferir informações quânticas conforme exigido por cada aplicação.
A conexão de vários computadores quânticos requer uma interface específica. A IBM planeia desenvolver uma unidade de rede quântica (Quantum Network Unit, QNU) que funcione como interface de uma unidade de processamento quântico (Quantum Processing Unit, QPU). A função desta QNU será converter a informação quântica estacionária da QPU em informação quântica «volante», de modo a que possa ser enviada através da rede e conectada a outros computadores quânticos.
Por sua vez, a rede quântica da Cisco foi concebida para distribuir entrelaçamento entre pares arbitrários destas QNU sob demanda, de acordo com as necessidades de cada algoritmo ou aplicação quântica. Para tornar isso possível, a Cisco desenvolve uma estrutura de protocolo de software de alta velocidade capaz de reconfigurar de forma contínua e dinâmica as rotas de rede, de modo que os entrelaçamentos possam ser distribuídos para as QNU quando estas concluírem os seus cálculos parciais.
As duas empresas planeiam ainda investigar como uma ponte de rede, formada por hardware de nova geração e software de código aberto, poderia utilizar os nós da rede quântica da Cisco para conectar várias QPU da IBM dentro do mesmo centro de dados através da interface QNU. Numa fase posterior, esta abordagem seria alargada a vários centros de dados, com o objetivo de construir uma rede quântica de maior dimensão e alcance geográfico que estabeleça as bases para uma futura Internet de computação quântica. Nesta base, a IBM e a Cisco contemplam centros de dados quânticos capazes de combinar múltiplas QPU da IBM e, no futuro, interligar vários centros para formar uma rede quântica de maior alcance.
Os computadores quânticos da IBM conectados sob essa arquitetura poderiam lidar com cargas de trabalho de grande exigência computacional. Entre elas estão aquelas que combinam recursos de computação de alto desempenho com capacidades quânticas, numa abordagem descrita como uma estrutura de supercomputação centrada na quântica.
Neste contexto de centros de dados quânticos, a IBM mantém também uma colaboração com o Centro de Materiais e Sistemas Quânticos Supercondutores (SQMS), dirigido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi, na sua qualidade de membro de quatro dos Centros Nacionais de Ciência e Investigação Quântica do Departamento de Energia dos Estados Unidos. A IBM e o SQMS pretendem analisar quantos QNU poderiam operar nos centros de dados quânticos e planeiam realizar, nos próximos três anos, uma demonstração inicial com vários QPU conectados.
A criação de uma rede de computação quântica distribuída e escalável surge como um passo prévio para aceder a um espaço computacional exponencialmente mais amplo e para impulsionar um conjunto diversificado de tecnologias. Este tipo de rede quântica distribuída abriria um espaço de cálculo exponencialmente mais amplo e poderia dar origem a uma futura Internet baseada na computação quântica no final da década de 2030.
Uma Internet de computação quântica implicaria a interconexão de diferentes tecnologias quânticas distribuídas (como computadores quânticos, sensores quânticos e sistemas de comunicações quânticas) capazes de partilhar informações à distância. Inicialmente, essa troca poderia ocorrer dentro da mesma área metropolitana e, com o tempo, se estender à escala planetária. Entre os possíveis casos de uso estão comunicações consideradas ultra seguras e um monitoramento mais preciso de fenômenos como clima, tempo atmosférico ou atividade sísmica.
Por fim, a IBM e a Cisco pretendem cofinanciar projetos de investigação académica e colaborativos para contribuir para o desenvolvimento de um ecossistema quântico mais amplo, em linha com o seu historial de apoio à investigação em laboratórios académicos e nacionais. Ambas as empresas planeiam também cofinanciar projetos de investigação académica e colaborativos para impulsionar um ecossistema quântico mais amplo em torno destas tecnologias.
