Conheça o Willow, o nosso chip quântico de última geração
Hoje tenho o prazer de anunciar o Willow, o nosso chip quântico mais recente. O Willow tem um desempenho de última geração em diversas métricas, possibilitando duas importantes conquistas.
- A primeira é que o Willow pode reduzir os erros exponencialmente à medida que aumentamos a escala, usando mais qubits. Isto vem resolver um desafio importante na correção de erros quânticos que este campo tem vindo a perseguir há quase 30 anos.
- Em segundo lugar, Willow realizou um benchmark padrão de computação em menos de 5 minutos e que demoraria a um dos supercomputadores mais rápidos da atualidade 10 septilhões[1] (ou seja, 10^25) de anos – um número que excede largamente a idade do Universo.
O chip Willow é um passo importante numa viagem que começou há mais de dez anos. Quando fundei o Google Quantum AI em 2012, a visão era construir um computador quântico útil e de larga escala que pudesse aproveitar a mecânica quântica - o “sistema operativo” da Natureza (na medida em que conhecemos hoje) - para beneficiar a sociedade através do avanço da descoberta científica, como desenvolver aplicações úteis e enfrentar alguns dos maiores desafios da sociedade. Como parte da Google Research, a nossa equipa traçou um roadmap a longo prazo, e o Willow move-nos significativamente neste caminho em direção a aplicações comercialmente relevantes.
Correção exponencial de erros quânticos – abaixo do limiar!
Os erros são um dos maiores desafios da computação quântica, uma vez que os qubits, as unidades de computação nos computadores quânticos, tendem a trocar informações rapidamente com o seu ambiente, o que torna difícil proteger as informações necessárias para completar a computação. Normalmente, quanto mais qubits se utilizarem, mais erros irão ocorrer e o sistema torna-se clássico.
Hoje, na Nature, publicámos resultados que mostram que quanto mais qubits usamos no Willow, mais reduzimos os erros e mais quântico se torna o sistema. Testámos conjuntos de qubits físicos, cada vez maiores, aumentando de uma grelha de qubits codificados de 3x3, para uma grelha de 5x5, para uma grelha de 7x7 - e em cada vez, ao usar os nossos mais recentes avanços na correção de erros quânticos, conseguimos reduzir a taxa de erro para metade. Por outras palavras, conseguimos uma redução exponencial da taxa de erro. Este marco histórico é conhecido nesta área como “abaixo do limiar” – sendo capaz de reduzir os erros enquanto se aumenta o número de qubits. É necessário demonstrar estar abaixo do limiar para mostrar progressos reais na correção de erros, e isto tem sido um grande desafio desde que a correção de erros quânticos foi introduzida por Peter Shor em 1995.
Existem outras “inovações” científicas envolvidas neste resultado também. Por exemplo, é também um dos primeiros exemplos convincentes de correção de erros em tempo real num sistema quântico supercondutor – crucial para qualquer computação útil, porque, se não se conseguir corrigir os erros com a rapidez suficiente, eles irão arruinar a computação antes de estar concluída. E é uma demonstração “além do ponto de equilíbrio”, onde os nossos conjuntos de qubits têm uma vida útil mais longa do que os qubits físicos individuais, um sinal infalível de que a correção de erros está a melhorar o sistema como um todo.
Sendo o primeiro sistema abaixo do limiar, este é o protótipo mais convincente para um qubit lógico escalável construído até hoje. É um forte sinal de que os computadores quânticos muito grandes e úteis podem ser realmente construídos. O Willow aproxima-nos da execução de algoritmos práticos e comercialmente relevantes que não podem ser replicados em computadores convencionais.
10 septilhões de anos no supercomputador mais rápido de hoje
Como medida do desempenho do Willow, utilizámos o benchmark de amostragem de circuitos aleatórios (RCS). Lançado inicialmente pela nossa equipa e utilizado, agora, amplamente como padrão na área, o RCS é o benchmark classicamente mais difícil que pode ser feito, hoje, num computador quântico. Pode-se pensar nisto como um ponto de entrada para a computação quântica: verifica-se se um computador quântico está a fazer algo que não poderia ser feito num computador clássico. Qualquer equipa que esteja a construir um computador quântico deve primeiro verificar se consegue ultrapassar os computadores clássicos no RCS; caso contrário, haverá fortes motivos para ceticismo quanto à capacidade para lidar com tarefas quânticas mais complexas. Utilizámos consistentemente este benchmark para avaliar o progresso de uma geração de chips para a seguinte – reportámos os resultados do Sycamore em outubro de 2019 e, de novo, mais recentemente em outubro de 2024.
O desempenho do Willow neste benchmark é surpreendente: realizou um cálculo em menos de 5 minutos que levaria 10^25 ou 10 septilhões de anos[1] num dos supercomputadores mais rápidos da atualidade. Se quiser escrever, são 10.000.000.000.000.000.000.000.000 de anos. Este número incompreensível excede as escalas de tempo conhecidas na física e ultrapassa enormemente a idade do universo. Isto dá credibilidade à noção de que a computação quântica ocorre em muitos universos paralelos, em linha com a ideia de que vivemos num multiverso, uma previsão feita, pela primeira vez, por David Deutsch.
Estes resultados mais recentes do Willow, conforme se mostra no gráfico abaixo, são os melhores até agora, mas iremos continuar a fazer progressos.
A nossa avaliação de como o Willow ultrapassa um dos supercomputadores clássicos mais potentes do mundo, o Frontier, baseou-se em pressupostos conservadores. Por exemplo, assumimos o acesso total ao armazenamento secundário, ou seja, aos discos rígidos, sem qualquer sobrecarga de largura de banda – uma concessão generosa e irrealista para o Frontier. É claro que, tal como aconteceu depois de anunciarmos a primeira computação pós-clássica em 2019, esperamos que os computadores clássicos continuem a melhorar neste benchmark, mas o fosso crescente mostra que os processadores quânticos estão a afastar-se a uma taxa exponencial dupla e irão continuar a superar enormemente os computadores clássicos à medida que escalamos.
Desempenho de última geração
O Willow, foi fabricado nas nossas novas instalações de fabrico de última geração em Santa Bárbara — uma das poucas no mundo construídas de raiz para este fim. A engenharia de sistemas é fundamental para projetar e fabricar processadores quânticos. Todos os componentes de um chip, como as portas de qubit único e de dois qubits, a reposição de qubits e a leitura, devem ser, simultaneamente, bem concebidos e integrados. Se algum componente se atrasar ou se dois componentes não funcionarem bem, em conjunto, isso irá prejudicar o desempenho do sistema. Por isso, a maximização do desempenho do sistema informa todos os aspetos do nosso processo, desde a arquitetura e fabrico do chip até ao desenvolvimento e calibração da porta. As conquistas que relatamos avaliam os sistemas de computação quântica de forma holística, e não apenas um fator de cada vez.
Estamos a concentrar-nos na qualidade, não apenas na quantidade – porque produzir apenas um maior número de qubits não ajuda se não tiverem qualidade suficiente. Com 105 qubits, o Willow tem agora o melhor desempenho da sua categoria nos dois benchmarks de sistema discutidos acima: correção de erros quânticos e amostragem aleatória de circuitos. Estes benchmarks algorítmicos são a melhor forma de medir o desempenho global do chip. Outras métricas de desempenho mais específicas também são importantes. Por exemplo, os nossos tempos T1, que medem o tempo que os qubits podem manter uma excitação – o principal recurso computacional quântico – estão agora a aproximar-se dos 100 µs (microsegundos). Esta é uma melhoria impressionante de ~5x em relação à nossa geração anterior de chips. Se quiser avaliar o hardware quântico e comparar entre plataformas, abaixo está uma tabela com as principais especificações que são úteis observar.
O que vem a seguir com Willow e depois
O próximo desafio imediato para nós e para a área é demonstrar uma primeira computação “pós-clássica útil” nos chips quânticos atuais que seja relevante para uma aplicação no mundo real. Estamos otimistas de que a nossa nova linha de processadores Willow nos possa ajudar a atingir este objetivo. Até agora, houve dois tipos de experiências distintas. Por um lado, executámos o benchmark RCS, que mede o desempenho em relação aos computadores clássicos, mas não tem aplicações conhecidas no mundo real. Por outro lado, fizemos simulações cientificamente interessantes de sistemas quânticos, que levaram a novas descobertas científicas, mas que estão ainda ao alcance dos computadores clássicos. O nosso objetivo é fazer as duas coisas ao mesmo tempo – entrar no reino dos algoritmos que estão fora do alcance dos computadores clássicos e que são úteis para problemas comercialmente relevantes no mundo real.
Convidamos investigadores, engenheiros e programadores a juntarem-se a nós nesta viagem, verificando o nosso software de código aberto e recursos educativos, incluindo o nosso novo curso na Coursera, onde os programadores podem aprender os fundamentos da correção de erros quânticos e ajudar-nos a criar algoritmos que possam resolver os problemas do futuro.
Por vezes, os meus colegas perguntam-me porque razão deixei o florescente campo da IA para me concentrar na computação quântica. A minha resposta é que ambas irão revelar-se as tecnologias mais transformadoras do nosso tempo, mas a IA avançada irá beneficiar significativamente do acesso à computação quântica. É por isso que chamei ao nosso laboratório de Quantum AI. Os algoritmos quânticos têm leis fundamentais de escala a seu favor, como estamos a ver com o RCS. Existem vantagens de escalabilidade semelhantes para muitas tarefas computacionais fundamentais que são essenciais para a IA. Assim sendo, a computação quântica será indispensável para recolher dados de treino inacessíveis às máquinas clássicas, treinar e otimizar certas arquiteturas de aprendizagem e modelar sistemas onde os efeitos quânticos são importantes. Isto inclui ajudar-nos a descobrir novos medicamentos, conceber baterias mais eficientes para carros eléctricos e acelerar o progresso na fusão e em novas alternativas energéticas. Muitas destas futuras aplicações revolucionárias não serão viáveis em computadores clássicos. Estão à espera de serem desbloqueadas com a computação quântica.
