A computação quântica está chegando às instalações computacionais de última geração. No Ano Internacional da Quantum, queremos capacitá-lo com os principais insights necessários para agir e liderar na era quântica.

Como uma nova forma de acelerador computacional para problemas desafiadores e de alto valor em otimização, química e finanças, os computadores quânticos progrediram rapidamente. Eles agora estão se aproximando do ponto em que ultrapassam tecnologias de computação alternativas em instâncias comercialmente relevantes dessas cargas de trabalho importantes. Demonstrações recentes do Google mostraram que, para certas aplicações estreitamente definidas, seu computador quântico poderia concluir uma tarefa subjacente que era praticamente impossível para qualquer supercomputador.

Prevendo a demanda futura, o fornecedor de data center Equinix tem sido um dos primeiros líderes na implantação de computação quântica no data center, buscando reduzir a barreira de entrada para o cliente usuário final explorar casos de uso quântico comercial. Da mesma forma, o Oak Ridge National Laboratory e o Pawsey Supercomputing Center têm integrado unidades de processamento quântico (QPUs) em seus sistemas HPC. A IBM até cunhou o termo "supercomputação quântica cêntrica", destacando sua visão para a integração dos sistemas de computação quântica e clássica mais avançados.

O tiro de partida foi disparado e, com base nesse movimento inicial, prevemos que uma gama muito mais ampla de fornecedores de data center e HPC inicie implantações locais e privadas de computadores quânticos em suas instalações. E como o BCG estima que 90% da captura de valor será acumulada para os primeiros usuários, você não pode esperar.

Então, de uma perspectiva prática, como você realmente integra o hardware de computação quântica para começar a construir seu próprio data center quântico definido por software? Abaixo, dividiremos isso em três etapas críticas e forneceremos uma análise crítica das principais decisões que você precisará tomar para maximizar o impacto.

1 - Escolha o hardware

Primeiro, se você é novo na computação quântica, pode ser uma surpresa que existam muitas abordagens de hardware diferentes disponíveis para escolher. Ao contrário da computação convencional, que há muitas décadas se estabeleceu em uma arquitetura baseada em transistores de silício, há um zoológico de abordagens concorrentes para construir os "qubits" fundamentais usados para armazenar e processar informações quânticas. Cada um tem pontos fortes e fracos, e há pouca certeza de qual abordagem acabará se tornando comoditizada, o que significa que a modalidade específica de qubit em uso em um data center contribui com valor ou diferenciação limitados.

Em vez disso, o principal debate que os compradores de data center e HPC interessados em adotar a computação quântica enfrentarão hoje é se devem comprar a plataforma de um fornecedor full-stack – mas estar em dívida com seu produto e preço – ou explorar oportunidades com um integrador de sistemas, sabendo que os dispositivos são melhores para seus orçamentos, mas não oferecem a mesma experiência "pronta para uso" de um único fornecedor integrado verticalmente.

Como ferramentas de ponta, os computadores quânticos têm sido historicamente construídos e usados por equipes especializadas de usuários selecionados a dedo. A IBM rompeu com essa narrativa, colocando o primeiro computador quântico na nuvem em 2016 e permitindo amplo acesso. Isso levou a um aumento nas ofertas diretas de nuvem de empresas como IBM, Rigetti, Oxford Quantum Circuits e IonQ, juntamente com serviços gerenciados de vários fornecedores mais amplos, como AWS Braket e Microsoft Azure Quantum. Por meio desses serviços, os usuários podem executar suas cargas de trabalho usando a nuvem pública.

Com maior ênfase na soberania de dados e menores barreiras à entrada, os computadores quânticos locais vieram à tona. Liderados por esses mesmos fornecedores de nuvem, os usuários agora podem comprar e instalar localmente plataformas full-stack: prontas para uso, prontas para uso. Essas implantações de sistema completo oferecem um ponto de acesso direto e uma experiência com muitos serviços para aqueles que são novos no espaço quântico.

No mais recente paradigma de distribuição alternativa, vários integradores de sistemas estão se concentrando em combinar ofertas de vários fornecedores em torno de um "núcleo QPU" para fornecer soluções completas, semelhantes aos canais tradicionais de OEM de computadores que vemos hoje – pense na Lenovo e na Dell. Esses sistemas oferecem mais personalização, capacidade de atualização e custo-benefício, ao mesmo tempo em que carregam os riscos da integração de vários fornecedores.

Ao escolher o caminho de hardware certo, os compradores devem entender a abordagem de sistema aberto versus fechado que funciona melhor para eles e prestar atenção às especificações no nível do sistema, que indicam quais casos de uso podem ser executados no dispositivo, como tamanho de QPU e benchmarks de desempenho algorítmico. Por fim, os compradores devem buscar clareza sobre o nível de integrabilidade suportado pelos fornecedores – essa pode ser uma área em que os integradores de sistemas agregam maior valor devido ao seu foco inato na modularidade e conectividade em comparação com o desenvolvimento de um ecossistema fechado.

2 - Crie abstrações

Assim como o hardware QPU ainda não se tornou comoditizado, a pilha de computação quântica permanece em desenvolvimento, com relativamente pouca consistência na forma como as máquinas são acessadas e programadas. Compradores experientes terão uma opinião informada sobre como aproveitar a abstração de software para atingir seus principais objetivos.

Com as abstrações de software certas, você pode começar a transformar os processadores quânticos de ferramentas frágeis e de nível de pesquisa em infraestrutura confiável para resolver problemas do mundo real. Aqui estão três camadas críticas de abstração que tornam isso possível.

Primeiro, há o gerenciamento de hardware. Os dispositivos quânticos precisam de ajustes constantes para permanecer em forma de trabalho, e conseguir isso manualmente leva muito tempo e experiência. A autonomia inteligente fornecida por fornecedores especializados agora pode lidar com o trabalho pesado – inicializar, calibrar e manter as coisas estáveis – sem que alguém fique de prontidão para cuidar da máquina.

Depois, há a execução da carga de trabalho. Executar um programa em um computador quântico não é apenas plug-and-play. Você geralmente precisa traduzir seu algoritmo de alto nível em algo que funcione com as peculiaridades da QPU específica que está sendo usada e resolver os erros ao longo do caminho. Agora, o software pode cuidar dessa tradução e otimização nos bastidores, para que os usuários possam se concentrar apenas na criação de algoritmos quânticos e cargas de trabalho que atendam às principais necessidades de pesquisa ou negócios.

Finalmente, a oportunidade mais empolgante é abstrair totalmente o computador quântico. É aqui que começa a parecer mágica; em vez de pensar em termos de "circuitos quânticos" altamente técnicos, os usuários podem programar em ferramentas e linguagens familiares, como Python, e deixar que o software de infraestrutura lide com tudo o que está entre eles. Abstrair das instruções quânticas até as definições de problemas é um grande passo para fazer com que a computação quântica pareça menos um experimento científico e mais uma tecnologia verdadeiramente útil.

Junte todas as três camadas e você terá um mundo onde os computadores quânticos podem realmente se encaixar em fluxos de trabalho do mundo real – sem necessidade de PhD quântico. Isso não é bom apenas para os pesquisadores; É o que tornará a computação quântica verdadeiramente escalável e impactante. Em um artigo futuro, discutiremos essas abstrações com mais detalhes, juntamente com as soluções disponíveis no momento para implementá-las.

3 - Integre e implante

Com o computador quântico agora adquirido e abstraído, a etapa final importante é exibir efetivamente os recursos quânticos para uma base de usuários de destino. Em apoio a essa tarefa, a infraestrutura de software estendida para acessar e usar computadores quânticos ainda está em desenvolvimento, mas existem dois caminhos emergentes no mercado.

Integração leve: o formato de acesso mais comum de hoje é exibir um computador quântico como um ativo autônomo para executar cargas de trabalho específicas quânticas. Isso requer um portal de front-end que gerencie os usuários e trabalhos que acessam o dispositivo. Essa abordagem é adequada para usuários que experimentam aplicativos quânticos e aprendem a executar algoritmos quânticos.

Computação híbrida completa: um formato de acesso recém-desenvolvido é uma integração completa do sistema quântico em uma área de TI existente. Nesse caso, os data centers e as instalações de HPC geralmente usam sistemas de gerenciamento de recursos como Slurm, Load Sharing Facility (LSF) ou Portable Batch System (PBS) para gerenciar clusters de recursos e cargas de trabalho. Esses sistemas são construídos para programar e executar programas clássicos, enquanto o aproveitamento de recursos quânticos requer um fluxo de trabalho de execução diferente.

Isso apresenta uma lacuna – bem como uma oportunidade – para uma integração aprimorada e perfeita entre sistemas clássicos de gerenciamento de carga de trabalho com software projetado e construído para habilitar, gerenciar e otimizar o desempenho prático de cargas de trabalho quânticas híbridas. O pacote de otimização híbrida da Fire Opal é um passo nessa direção, mas continua sendo um exemplo inicial em uma área em rápido desenvolvimento.

O CUDA-Q da Nvidia é outro excelente exemplo, onde eles estão usando seu software existente e experiência em gerenciamento de carga de trabalho em recursos acelerados por GPU para criar uma estrutura semelhante para incorporar recursos quânticos.

A computação quântica está chegando rapidamente e agora é a hora de começar a integrar soluções quânticas em instalações de computação corporativa e de pesquisa. Com essas três etapas, você poderá montar uma plataforma líder que agregue valor real aos seus usuários com facilidade.

Agindo agora, você pode ser o primeiro na corrida para dominar o mercado de data center quântico definido por software.

James Guilmart, gerente sênior de produtos da Boulder Opal na Q-CTRL, também contribuiu para esse artigo.