Blog

O projeto apresenta uma arquitetura de um computador quântico com múltiplas QPUs, onde diferentes tarefas são realizadas na preparação de um programa quântico antes de sua execução. “Aqui temos etapas como otimização de operações, mapeamento de bits quânticos disponíveis no hardware, agendamento de inicialização, até novas tarefas como agrupamento de portas semelhantes e segmentação do circuito”, aponta Cambiucci. “O desafio é realizar todas essas tarefas no menor tempo, para a execução de circuitos quânticos em cenários reais”.

O pesquisador afirma que não há hoje uma arquitetura com todas as etapas desenvolvidas (full stack) para máquinas com múltiplas QPUs, e os sistemas de computação quântica atuais, chamados de Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ), possuem arquiteturas de processador único com dezenas ou algumas centenas de qubits, ainda com elevadas taxas de erros. “Por isso, discutir e propor arquiteturas distribuídas e multi-QPU é um passo importante na jornada para a computação quântica distribuída”, diz. “Outro diferencial importante do projeto é o método de segmentação de circuitos, que oferece ganhos significativos para a redução dos custos de comunicação entre QPUs”.

Cambiucci observa que já existem computadores quânticos, mas com limites e restrições diversas em relação a número de qubits, fidelidade de portas, taxas de erros, entre outros. “Por isso, são usados em experimentos e exploração, e disponíveis comercialmente disponíveis para empresas explorando cenários de vantagem quântica. A contratação é feita através de subscrição, com os computadores quânticos acessíveis a partir da nuvem”, relata. “A computação quântica distribuída ainda encontra-se nos estágios iniciais, envolvendo máquinas com múltiplas QPUs, links de comunicação clássica e quânticos, além da criação de novos protocolos de comunicação entre máquinas distribuídas”.

“Alguns fornecedores de mercado como IBM, Microsoft, Rigetti, entre outros, já apontam metas para o lançamento de máquinas quânticas multicore ou sistemas distribuídos para os próximos anos. Assim, muita pesquisa ainda está em andamento para a consolidação dessa área”, observa o engenheiro. Cambiucci explica que atualmente a construção de um computador quântico envolve diferentes escolhas, desde a tecnologia usada para a implementação de qubits até as unidades de controle e eletrônica para a manipulação do hardware quântico. “Já vemos no mercado internacional empresas fornecendo componentes de prateleira para a construção de computadores com foco acadêmico e corporativo, para universidades e laboratórios, como Q-Ctrl, Quantum Machines, Zurich Instruments, Bluefors, entre outras”, salienta.

“Para o projeto chegar ao mercado o caminho ainda é longo, devendo passar por simulação em cenários de sistemas distribuídos, até a integração com um desses ambientes de máquinas quânticas reais”, ressalta o engenheiro. “Um primeiro cenário de mercado seria para máquinas quânticas baseadas em qubits supercondutores, usados por fornecedores como IBM, Google, Rigetti, Quantum Circuits Inc. (QCI), Oxford Quantum Circuits (OQC), entre outras, pela proximidade e aderência ao modelo de arquitetura atualmente utilizada”.

A pesquisa para o projeto foi desenvolvida no Laboratório de Arquitetura e Redes de Computadores (LARC) da Poli, com orientação da professora Regina Melo Silveira e com co-orientação do professor Wilson Ruggiero. O artigo sobre o estudo, “Arquitetura para sistema de computação quântica distribuída multi-QPU com particionamento de circuitos”, recebeu o prêmio de melhor trabalho no 1o. Workshop de Redes Quânticas (WQUNETS), realizado no Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC2024), organizado pela Sociedade Brasileira de Computação (SBC). O evento aconteceu em Niterói, entre os dias 20 e 24 de maio.