IBM construirá o primeiro computador quântico modular do mundo com 200 qubits lógicos e correção de erros integrada

A IBM atualizou seu plano para criar o primeiro computador quântico tolerante a falhas do mundo para resolver problemas práticos. O sistema se chama Starling. Ele operará com 200 qubits lógicos. O comissionamento está previsto para 2029. Não há mais barreiras científicas para a criação deste sistema; agora é hora de resolver problemas comuns de engenharia.

Representação artística do sistema quântico “Starling” da IBM. Fonte da imagem: IBM

Atualmente, não existem soluções de hardware prontas para uso para a construção do sistema Starling. A IBM avançará em direção a isso em etapas. O sistema será implantado no novo data center quântico da IBM em Poughkeepsie, Nova York. Espera-se que ele execute 20.000 vezes mais operações do que os computadores quânticos atuais. Para simular estados de computação quântica, o IBM Starling exigiria mais de um quindecilhão de bytes de memória (10^48), o que está muito além da capacidade dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

«“A IBM está abrindo caminho para a próxima fronteira da computação quântica”, disse Arvind Krishna, presidente e CEO da IBM. “Nossa expertise em matemática, física e engenharia está abrindo caminho para a construção de um computador quântico de larga escala e tolerante a falhas que resolverá problemas do mundo real e abrirá enormes oportunidades de negócios.”

Um computador quântico de larga escala e tolerante a falhas, com centenas ou milhares de qubits lógicos, poderia realizar de centenas de milhões a bilhões de operações, tornando processos mais rápidos e baratos em áreas como descoberta de medicamentos, pesquisa de materiais, química e otimização. O sistema Skvorets será capaz de realizar 100 milhões de operações quânticas usando 200 qubits lógicos. Esta será a base para um sistema subsequente, o Blue Jay, que será capaz de realizar 1 bilhão de operações quânticas usando 2.000 qubits lógicos. O Blue Jay surgirá em 2033 como uma evolução do Skvorets. Se se tornar realidade, provavelmente significará o adeus à criptografia tradicional para sempre.

Vale lembrar que, para resolver o problema da tolerância a falhas, é necessário que haja 1 milhão de qubits físicos (de hardware) para cada qubit lógico envolvido no cálculo. É o que afirmam os trabalhos básicos sobre computação quântica. Nos últimos anos, esses requisitos foram significativamente flexibilizados, mas a IBM ainda não está pronta para dizer quantos qubits físicos serão usados ​​para cada qubit lógico. No entanto, isso implica uma arquitetura de processador extremamente complexa, de modo que o computador quântico eventualmente caiba em uma sala de computação e não ocupe a área de alguns campos de futebol.

A IBM anunciou a criação de uma arquitetura promissora capaz de realizar cálculos quânticos com o entrelaçamento de um número tão grande de qubits físicos. A arquitetura é baseada no código proposto pela empresa. É claro que o sucesso da implementação de uma arquitetura tolerante a falhas eficaz depende da escolha do código de correção de erros, bem como de como o sistema é projetado e construído para escalar esse código.

É claro que esse código deve estar vinculado à arquitetura, o que força a IBM a operar dentro de restrições bastante rígidas. Os principais requisitos para a arquitetura são tolerância a falhas, que permite suprimir erros suficientes para executar algoritmos úteis com sucesso; a capacidade de preparar e medir qubits lógicos usando computação; a aplicabilidade de instruções de uso geral a qubits lógicos; a capacidade de decodificar medições de qubits lógicos em tempo real e modificar instruções subsequentes; modularidade, para que possa escalar para centenas ou milhares de qubits lógicos para executar algoritmos mais complexos; e eficiência suficiente para executar algoritmos significativos usando recursos físicos do mundo real, como energia e infraestrutura.

Em dois novos white papers, a IBM descreveu como isso seria. Primeiro, apresentou um código chamado qLDPC, ou códigos quânticos de verificação de paridade de baixa densidade (semelhante ao LDPC clássico). O código reduz significativamente o número de qubits físicos necessários para corrigir erros, reduzindo a sobrecarga necessária em cerca de 90% em comparação com outros códigos promissores. Ele também descreve os recursos necessários para executar programas quânticos em larga escala de forma confiável, comprovando que a arquitetura é mais eficiente do que outras.

No segundo artigo, a empresa descreveu como decodificar eficientemente informações de qubits físicos e propôs uma maneira de detectar e corrigir erros em tempo real usando recursos de computação convencionais.

Na prática, será assim. No final de 2025, a IBM lançará o módulo do processador Loon. O módulo foi projetado para testar componentes da arquitetura do código qLDPC, incluindo “conectores C” que conectam qubits a grandes distâncias dentro de um único chip. A complexidade da arquitetura e das conexões dentro de um chip multicamadas é ilustrada pela imagem acima, que compara o moderno processador quântico Heron da IBM com o Loon.

Em 2026, a empresa lançará o primeiro processador modular, o Kookaburra, projetado para armazenar e processar informações criptografadas. Ele combinará memória quântica com operações lógicas e se tornará um bloco de construção básico para escalar sistemas tolerantes a falhas para além de um único chip.

Em 2027, a IBM lançará o módulo processador Cockatoo. Ele conectará dois módulos Kookaburra usando “conexões em forma de L”. Essa arquitetura permitirá que chips quânticos sejam conectados como nós em um sistema maior, sem a necessidade de criar chips impraticavelmente grandes. O sistema Skvorets será construído combinando os módulos Cockatoo em uma única plataforma. A plataforma envolve o resfriamento criogênico dos componentes básicos a cerca de 4 kelvin (-273,15 °C). Para integração com ferramentas de computação convencionais, os componentes eletrônicos de conexão também precisarão ser resfriados a essas temperaturas. No entanto, o sistema inteiro não será refrigerado, apenas os nós de computação.

A IBM fez uma proposta que pode revolucionar o mundo da computação. Se ela conseguirá cumprir essa promessa é uma incógnita.