A IBM anunciou uma nova arquitetura modular para os sistemas criogênicos usados em seus computadores quânticos supercondutores, em uma medida destinada a superar as limitações de expansão dos processadores quânticos de chip único. O projeto baseia-se em células de refrigeração separadas que podem ser conectadas lado a lado, permitindo transmitir informações entre vários processadores por meio de conexões quânticas e tradicionais, em vez de restringir as operações a um único processador.
Os computadores quânticos supercondutores da IBM operam a temperaturas inferiores às do espaço sideral, o que exige refrigeradores de diluição (dilution refrigerators) e barreiras térmicas especializadas para manter os estados quânticos estáveis por tempo suficiente para executar os cálculos. A empresa considera que aumentar o número de qubits não exige apenas processadores maiores, mas também uma arquitetura de refrigeração capaz de acomodar vários processadores e conectá-los, preservando a estabilidade térmica.
De estruturas cilíndricas a células conectáveis
Os sistemas quânticos atuais geralmente são instalados dentro de recipientes cilíndricos isolados por vácuo. Essa abordagem permitiu à IBM passar do primeiro computador quântico disponível pela nuvem, em 2016, que tinha cinco qubits, ao processador IBM Quantum Condor, apresentado em 2023 com mais de 1000 qubits. No entanto, a expansão em um único chip enfrenta limitações relacionadas ao espaço, à geração de calor e à interferência indesejada entre os qubits.
Em vez disso, as novas células têm formato de caixa e são fabricadas com painéis e estruturas de alumínio. Cada célula inclui um ambiente completo de refrigeração, com uma câmara de vácuo, equipamentos de refrigeração e barreiras térmicas próprias, enquanto aberturas dedicadas permitem a passagem dos cabos quânticos para as células vizinhas. A disposição das células lado a lado ajuda a encurtar os caminhos de conexão em comparação com as conexões longas entre os recipientes cilíndricos.
O que muda na prática?
As camadas de proteção térmica foram projetadas para limitar a interação térmica entre as células vizinhas. Segundo a IBM, os tempos de refrigeração e a estabilidade das temperaturas devem permanecer semelhantes à medida que novas células forem adicionadas, permitindo expandir o sistema sem prejudicar o desempenho dos cálculos. O sistema também pode ser atualizado célula por célula, em vez de exigir o redesenho de toda a arquitetura de refrigeração quando novos processadores ou componentes eletrônicos quânticos forem introduzidos.
Cada célula dispõe de uma área de fiação de aproximadamente 0,53 metro quadrado, e o volume da câmara de vácuo chega a 2,75 metros cúbicos, enquanto o volume da célula equivale aproximadamente a três vezes o volume de uma geladeira de cozinha típica. Esse espaço oferece margem para processadores maiores e configurações mais densas, além de acomodar um número maior de conexões e componentes eletrônicos dentro do ambiente frio.
Um passo em direção a sistemas quânticos tolerantes a falhas
A IBM testou a nova arquitetura na prática operando duas células de refrigeração conectadas em sua instalação na cidade de Poughkeepsie, em Nova York. A empresa considera esse experimento uma validação inicial da abordagem necessária para construir sistemas quânticos com vários chips, capazes de distribuir tarefas entre processadores conectados ou operá-los como um sistema unificado mais potente.
A IBM posiciona essa arquitetura como parte de seu caminho para o IBM Quantum Starling, que descreve como o primeiro computador quântico tolerante a falhas e que espera lançar em 2029. A empresa também espera que as futuras versões de uma única célula comportem pelo menos 2000 qubits. Os sistemas permitirão aos pesquisadores testar componentes da arquitetura quântica modular da IBM, incluindo os conectores l-couplers, apresentados pela primeira vez em 2024 para conectar unidades de processamento quântico a uma distância de até um metro.