Quântica do estresse e da alta performance

Quântica do estresse.

A interseção entre pressão e desempenho.

Navegando entre a ansiedade das máquinas com potencial máximo.

Para você se situar…

Pesquisadores da NVIDIA, da Universidade de Stony Brook e do Laboratório Nacional de Brookhaven criaram um algoritmo de preservação de carga (CPVQD).

CPVQD = Coupled Quantum Variational Quantum Dots

Ele simplifica a computação de estados excitados em sistemas quânticos e deixa os métodos tradicionais ‘comendo poeira’.

Ao usar simetria e cargas conservadas, o CPVQD reduz a dimensionalidade do sistema.

Depois, ele otimiza os cálculos e evita aquela montanha de contas inúteis em química quântica e física nuclear.

Ele foi testado em sistemas com até 24 qubits.

Esse algoritmo fez barulho no sistema CUDA-Q da NVIDIA e na plataforma Perlmutter do NERSC.

NESRC (National Energy Research Scientific Computing Center) é um laboratório americano em Berkeley.

Isso gerou uma convergência mais rápida e com boa eficiência computacional.

Calcular estados excitados em sistemas quânticos é um dos desafios da computação quântica.

Isso pode ajudar áreas como química quântica e física de altas energias.

E os métodos tradicionais da quântica?

Esses métodos são caros pra k#####.

Eles exigem circuitos complexos e unidades controladas que hoje em dia são um pesadelo para o hardware quântico.

Não podemos nos esquecer do VQD (Virtual Quantum Device).

Ele é o primo pobre, mas não menos relevante, do solucionador quântico variacional.

O VQD ajuda a calcular estados excitados (energias acima do estado fundamental).

Elas servem para a química quântica e física da matéria condensada.

No entanto, o VQD padrão enfrenta limitações por depender de unidades controladas.

Isso o torna um pouco impraticável para simulações em larga escala.

Em especial nos dispositivos que ainda lutam contra erros e ruídos…

Os autores foram diretos: “as abordagens atuais para calcular estados excitados exigem inúmeras unidades controladas.”.

Isso é uma receita para a ineficiência…

Assim, eles introduziram o CPVQD, que, ao incorporar simetria e cargas conservadas, torna tudo mais ágil e confiável.

O CPVQD é a ‘resposta’ que precisávamos para desatar os nós da computação quântica.

Melhorando os cálculos quânticos com o VQD preservador de carga

O algoritmo CPVQD é para calcular os estados excitados dentro de um setor de carga específico.

Ou seja, uma fatia do sistema que lida com quantidades físicas conservadas como a carga elétrica.

Ao focar apenas nesse setor, o algoritmo diminui o tamanho do problema e elimina cálculos desnecessários em estados irrelevantes.

O estudo apresenta duas abordagens para reduzir a dimensionalidade…

Método de Projeção

Aqui, a dimensionalidade é reduzida ao projetar o Hamiltoniano (o operador que define os estados energéticos do sistema) no setor de carga desejado.

Ele joga fora os estados que não interessam.

Método de Restrições

Nesse caso, o Hamiltoniano é restringido com termos adicionais que garantem a preservação da carga.

Isso mantém o número original de qubits…

Mas muda o processo de otimização para focar apenas nos estados relevantes.

Ambos os métodos servem para eficiência computacional sem comprometer a integridade dos resultados.

Os testes do CPVQD mostraram melhorias boas no desempenho computacional.

Eles usaram simulações em sistemas de até 24 qubits.

Da química quântica até a física nuclear com o CPVQD

Os pesquisadores aplicaram o CPVQD em várias áreas, incluindo química quântica e física nuclear.

Na química quântica, o algoritmo foi usado para calcular estados excitados de moléculas como o hidrogênio (H₂) e o íon hidreto de hélio (HeH⁺), tanto em estados neutros quanto ionizados.

Por exemplo, na simulação do íon hidreto de hélio, o CPVQD reduziu a complexidade do problema de 16 estados possíveis (em um sistema de 4 qubits) para apenas 4 estados, todos no setor de carga +1.

Isso facilita simulações de íons e simplifica os problemas sem perder precisão.

Em física nuclear, o algoritmo foi utilizado para calcular espectros e lacunas de massa em teorias de campo quântico.

Esses cálculos servem para entender as interações de partículas e transições de fase em sistemas quânticos.

CUDA-Q e Perlmutter: a junção para simulações quânticas avançadas

Com uma equipe majoritariamente composta por cientistas da NVIDIA, o uso da plataforma CUDA-Q foi decisivo.

O CUDA-Q é um sistema de computação híbrida quântica-clássica.

Ao integrar GPUs clássicas com processadores quânticos, o CUDA-Q faz a preparação e otimização dos estados eficientes.

O estudo também usou o sistema Perlmutter do NERSC para rodar simulações em larga escala.

Os resultados reforçam o potencial da computação híbrida na pesquisa quântica.

Os autores destacam que a combinação de QPUs e GPUs resulta em uma convergência mais rápida.

Em especial, ao otimizar os parâmetros dos circuitos quânticos usados no algoritmo VQD.

Isso também ajuda a aliviar as limitações do hardware quântico atual, transferindo certos cálculos para sistemas clássicos.

Nem tudo são flores

Embora o CPVQD represente avanços relevantes na eficiência computacional, vários problemas ainda persistem.

O principal deles é o impacto do ruído e da decoerência no hardware quântico.

Isso pode afetar a precisão dos resultados.

As simulações deste estudo foram realizadas em uma única GPU NVIDIA A100, sem modelagem de ruído.

Isso significa que, embora os resultados pareçam bons em condições ideais, a aplicação no mundo real terá dificuldades devido às imperfeições do hardware.

Além disso, as técnicas de redução de dimensionalidade, embora eficazes, não são isentas de problemas.

Os métodos de projeção e restrição simplificam os cálculos ao focar apenas em setores de carga relevantes.

Mas a determinação heurística dessas restrições pode às vezes levar à não convergência do algoritmo.

Isso pode resultar em falhas na precisão dos estados excitados.

Especialmente nos sistemas complexos com distribuições de carga intrincadas…

O estudo também menciona o desafio de escalar o algoritmo para sistemas maiores.

Embora o CPVQD tenha sido testado em sistemas de até 24 qubits, simulações maiores exigiriam mais otimização para manter a eficiência.

Implicações e direções futuras

Apesar de suas limitações, o CPVQD pode um dia resolver os problemas dos métodos existentes e atender simulações em larga escala em física de altas energias, física nuclear e química quântica.

A equipe concluiu que o algoritmo pode ser estendido para outras abordagens quânticas, como Subspace Search VQE (SSVQE) e ADAPT-VQE.

Entre os autores que contribuíram para o estudo estão Zohim Chandani, Kazuki Ikeda, Zhong-Bo Kang, Dmitri E. Kharzeev, Alexander McCaskey, Andrea Palermo, C.R. Ramakrishnan, Pooja Rao, Ranjani G. Sundaram e Kwangmin Yu.

Os 7 players da corrida quântica…

Se você achava que a tecnologia quântica era apenas uma conversa de nerds…

Países ao redor do mundo estão competindo para ver quem consegue domar esse novo ramo da ciência.

Aqui estão alguns cases famosos e atuais.

1. Estados Unidos

Os EUA estão na corrida quântica como se fossem um gato atrás de um laser.

A disputa é acirrada entre a Google e a IBM.

O Google, por exemplo, anunciou a “supremacia quântica” em 2019.

O que isso significa?

Eles fizeram um cálculo que um supercomputador tradicional levaria mil anos em apenas 200 segundos.

Quem é o verdadeiro “cérebro” agora?

2. China

Enquanto muitos países discutem, eles agem.

Com o satélite quântico Micius, lançaram a primeira rede quântica do mundo.

Ela consegue enviar dados criptografados com segurança.

Os chineses já investiram bilhões em pesquisa.

Eles também têm ambições intergalácticas.

Literalmente.

3. Alemanha

A Alemanha não fica atrás.

Com suas instituições renomadas tipo o Instituto Max Planck, estão fazendo pesquisas de ponta.

O projeto de computação da Alemanha é um exemplo de como a precisão teutônica se aplica à física quântica.

Enquanto isso, o resto do mundo tenta decifrar como arrumar seu próprio quarto…

4. Reino Unido

O Reino Unido apostou no Quantum Technologies Programme.

Com parcerias com a Oxford e Cambridge, eles estão tentando criar o “computador quântico perfeito”.

Enquanto isso, nós aqui, tentando fazer nosso laptop funcionar sem travar.

5. Canadá

Se você acha que o Canadá é só maple syrup e gelo, pense de novo.

Com o Institute for Quantum Computing na Universidade de Waterloo, eles estão liderando pesquisas em computação quântica e algoritmos quânticos.

6. Austrália

A Austrália também entrou no game.

A Universidade Nacional da Austrália toca pesquisas de ponta em computação quântica.

Quem diria que um país famoso por cangurus estaria liderando a pesquisa quântica?

Aqui, parece que até os animais levam vantagem.

7. França

E, claro, temos a França.

O CNRS (Centre national de la recherche scientifique) está investindo em aplicações práticas da tecnologia quântica.

Os franceses aperfeiçoam a arte de fazer queijos e vinhos e também tentam conquistar o mundo quântico.

Mais uma prova de que, por trás de toda aquela pompa, há mentes científicas afiadas.

Enquanto alguns países ‘na mesma situação’ estão ocupados debatendo sobre como “construir o futuro”, os franceses estão realmente fazendo isso.

A corrida quântica está em andamento e esses países estão na pole position.

A pergunta é: quem vai chegar primeiro?

O mercado de trabalho quântico existe?

Vamos falar sobre o mercado de trabalho no setor quântico, onde as empresas estão tão entusiasmadas que quase dá para sentir a vibração das partículas…

Mas, se você pensa que esse é um mar de oportunidades fácil de navegar, pense de novo.

Primeiro, vamos ao básico: o mercado de trabalho quântico é tipo um mix intrigante de física, matemática e tecnologia.

Os empregos se multiplicam mais rápido do que coelhos em uma toca.

Mas não se engane!

Para entrar nesse clubinho exclusivo, você precisará de um cv que mais parece um diploma em magia.

Empresas na vanguarda

Aqui estão as empresas que lideram a corrida quântica e, portanto, as oportunidades de emprego:

IBM

A velha IBM!

Eles não estão apenas tentando se reinventar.

Estão investindo pesado em computação quântica.

O IBM Quantum Experience abriu a porteira para pesquisadores e desenvolvedores.

Mas, se você quer trabalhar lá, melhor ter um PhD em algo relacionado, porque a competição é feroz e o café é fraco!

Google

Com o hype “supremacia quântica”, o Google está na crista da onda quântica.

Eles têm um laboratório inteiro só pra computação quântica.

E se você acha que vai conseguir um emprego lá apenas com um sorriso e um currículo bem formatado…

Você vai precisar de mais do que isso…

Que tal uma tese sobre algoritmos quânticos?

Microsoft

Com o projeto Azure Quantum, a Microsoft está tentando conquistar seu espaço nesse matagal.

Eles estão mais focados em oferecer soluções para empresas do que em construir computadores quânticos do zero.

Se você tem um talento para programação e quer se juntar a eles, prepare-se para um ambiente onde a inovação é tão rápida quanto as mudanças de humor do CEO.

D-Wave

Essa empresa canadense se destaca por ser uma das pioneiras na computação quântica comercial.

Eles são conhecidos por seu computador quântico que promete resolver problemas complexos.

Mas, se você quer ser parte dessa equipe, melhor ter um histórico em matemática e ciência da computação.

Porque “quântico” é uma palavra da moda, mas não é só um rótulo.

Rigetti Computing

Se você nunca ouviu falar deles, não se preocupe.

Eles são um jogador menor, mas com grandes ambições.

Oferecem acesso aos seus computadores quânticos na nuvem.

Se você está procurando oportunidades, eles buscam talentos em programação quântica e algoritmos.

Você pode acabar passando mais tempo no GitHub do que com os seus amigos…

O que esperar então?

Como se aventurar nesse universo quântico?

Primeiro, muita pesquisa.

Segundo, longas horas de trabalho e, possivelmente, um salário que pode ser muito bom, mas não o bastante para compensar a frustração de entender a mecânica quântica.

E, claro, a possibilidade de colaborar em projetos que podem mudar o mundo… ou não.

Você vai precisar de um pouquinho de coragem, neh?

Não será uma jornada fácil.

Mas se você conseguir, pode estar à frente de uma revolução tecnológica…

Ou de mais um fiasco milionário.

Boa sorte!

Você vai precisar.

Pedro Londe

Palestrante e autor do livro “O que diabos é Gig Economy?: Como ter várias fontes de renda e aproveitar ao máximo todas as suas habilidades”