Computadores quânticos atuais, usados experimentalmente e em serviços oferecidos na nuvem, apresentam limitações de capacidade, que podem ser superadas com arquitetura distribuída
O projeto para arquitetura de um computador quântico com múltiplas unidades de processamento é apresentado em artigo do engenheiro de computação Waldemir Cambiucci, doutorando da Escola Politécnica (Poli) da USP. Hoje, os computadores quânticos, disponíveis para usos experimentais e em alguns serviços oferecidos via nuvem para empresas, ainda são baseados em sistemas de processador único, com elevadas taxas de erro, limitando a capacidade e o uso dos dispositivos em cenários complexos.
Embora as pesquisas estejam no início, a arquitetura distribuída poderá aumentar o potencial dos computadores quânticos em aplicações nas áreas de ciências de materiais, química, inteligência artificial, entre outras, além do mercado financeiro. O artigo recebeu o prêmio de melhor trabalho no 1o Workshop de Redes Quânticas (WQUNETS), durante o Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2024), realizado em maio na cidade de Niterói (RJ).
O trabalho faz parte da pesquisa de doutorado de Cambiucci na Poli, orientada pela professora Regina Melo Silveira, e que tem como co-orientador o professor Wilson Ruggiero. “Os computadores clássicos usam bits, unidades básicas de informação que assumem valores de 0s e 1s. Já os computadores quânticos são baseados em bits quânticos, ou qubits, que podem assumir valores 0, 1 ou uma combinação entre eles ao mesmo tempo, num fenômeno conhecido como superposição”, afirma o engenheiro. “Junto com os fenômenos de emaranhamento e interferência, a superposição é característica de um computador quântico, que realiza seu processamento a partir dos princípios da mecânica quântica, oferecendo vantagens na resolução de problemas complexos”.
“A mecânica clássica é o ramo da física que descreve o movimento de objetos macroscópicos sob a ação de forças, utilizando leis formuladas por Isaac Newton, e é aplicável em escalas de tamanho e velocidade comuns de nosso dia-a-dia, explica Cambiucci.
“Já a mecânica quântica é o ramo da física que descreve o comportamento de partículas subatômicas, como elétrons e fótons, em escalas muito pequenas, utilizando princípios de probabilidade. Usando a mecânica quântica, um computador quântico pode apresentar uma vantagem exponencial onde máquinas clássicas não conseguem atuar”.
De acordo com o engenheiro, enquanto um computador clássico realiza seus cálculos em Unidades Centrais de Processamento (CPUs), os quânticos usam Unidades de Processamento Quântico (QPUs). “Entre as aplicações que são potencializadas por essas máquinas, estão as simulações moleculares, otimização em logísticas, exploração científica em química ou ciência de materiais, reconhecimento de padrões, entre outras aplicações”, explica.
“Também existe potencial para produção de cenários no mercado financeiro e na inteligência artificial, com algoritmos de aprendizado de máquina quântica, ou quantum machine learning”.
“O objetivo do trabalho foi propor uma arquitetura de software para um computador quântico multi-core, ou seja, com múltiplas unidades de processamento, chamadas de QPUs. O desafio nesse tipo de arquitetura está no corte e distribuição do algoritmo quântico entre as unidades presentes”, ressalta o pesquisador. “Ainda é uma tarefa computacionalmente cara criar e manter elas em contato, por isso a segmentação entre processadores quânticos precisa reduzir o custo de comunicação”.
