“Quantum Particulars” é uma coluna editorial convidada que apresenta insights e entrevistas exclusivas com pesquisadores, desenvolvedores e especialistas quânticos que analisam os principais desafios e processos neste campo. Este artigo, escrito por Ruti Ben Shlomi, o CEO e cofundador da LightSolver, concentra-se no processamento a laser como uma vantagem da computação quântica. 

As empresas procuram constantemente melhorar a eficiência, aumentar a produtividade e reduzir custos. Em muitos casos, contudo, atingir estes objectivos depende de capacidades rigorosas de optimização. Vejamos, por exemplo, a entrega de última milha ou o envio de uma equipe de técnicos de serviço para centenas de locais: para criar rotas e cronogramas altamente eficientes, as empresas devem resolver problemas de otimização combinatória. O desafio desse tipo de cálculo é que eles são NP-difíceis, o que significa que aumentam exponencialmente à medida que aumenta o número de variáveis ​​​​e restrições. Por exemplo, existem mais de 1094 maneiras de alocar 10 tarefas entre uma equipe de sete técnicos de serviço de campo – um problema que excede as capacidades dos computadores atuais.

Embora os supercomputadores clássicos pareçam ter atingido o seu limite computacional, os computadores quânticos ainda não são escalonáveis ​​ou práticos para resolver problemas complexos do mundo real. O que precisamos é de um método melhor para resolver esses problemas agora – e não apenas desafios logísticos, mas problemas que vão desde a optimização da carteira financeira e melhoria da modelação de risco até à descoberta de medicamentos e à melhoria da ciência dos materiais.

Felizmente, existe hoje uma nova tecnologia de inspiração quântica disponível que aproveita o poder dos lasers para computar mais rápido do que os mais poderosos computadores clássicos e quânticos. Este novo paradigma de computação é livre de componentes eletrônicos, promete transcender as limitações da computação clássica de alto desempenho (HPC) e oferece uma solução mais prática do que a computação quântica para resolver problemas complicados de otimização.

Além dos limites do HPC e do Quantum

Os computadores clássicos abordam problemas de otimização utilizando técnicas de aproximação, resultando em soluções de qualidade comprometida e tempos de processamento que aumentam exponencialmente com o tamanho do problema, ultrapassando rapidamente os limites superiores dos HPCs atuais. Mesmo o mais poderoso supercomputadores, ostentando um desempenho superior a cem quatrilhões de FLOPS, podem bater em uma parede e também requerem quantidades insustentáveis ​​de energia e refrigeração. Como resultado, muitas empresas não conseguem aproveitar a abundância de dados disponíveis hoje e realmente aprimorar seus negócios. 

Os computadores quânticos são muito promissores, mas ainda não são acessíveis ou escaláveis. Eles também enfrentam desafios de engenharia não triviais, como a necessidade de ambientes de ultra-alto vácuo, componentes especializados e sistemas de estabilização complexos que envolvem condições ultrafrias. Apesar dos esforços para atender a esses requisitos exigentes, os computadores quânticos continuam sujeitos a erros e a uma correspondente diminuição na confiabilidade e precisão.

Alguns recozidores quânticos estão agora disponíveis na nuvem, mas a maioria deles enfrenta desafios de desempenho e escalabilidade devido à conectividade limitada, o que prejudica sua capacidade de resolver com eficiência problemas complexos do mundo real.

Uma solução brilhante via laser

O processamento a laser é um novo paradigma de computação que emprega lasers acoplados para tarefas computacionais. Não requer componentes eletrônicos e oferece inúmeras vantagens em relação às abordagens de computação convencionais, como velocidade de processamento mais rápida, maior precisão, baixo consumo de energia, escalabilidade e operação em condições ambientais. 

Como isso funciona?

Os lasers podem resolver problemas matemáticos que podem ser expressos como uma otimização binária quadrática irrestrita (QUBO) ou modelo de Ising. A computação a laser funciona codificando as restrições do problema nas fases relativas dos lasers. Os estados de fase então interagem difratando a luz de e entre cada laser de uma forma controlável, facilitada por um conjunto de lasers fortemente acoplado. Esse design garante conectividade completa entre todos os lasers, permitindo interações de rotação entre todos em pares em um dispositivo do tamanho de um desktop. 

Devido à natureza ondulatória dos lasers e a um processo de mapeamento especializado, os feixes de laser convergem perfeitamente para o estado de perda mínima de energia que corresponde à solução do problema e que pode ser lido por uma câmera. O melhor de tudo é que, semelhante aos computadores quânticos, os lasers podem calcular diferentes soluções em paralelo, calculando assim os resultados à velocidade da luz, significativamente mais rápido do que outras técnicas.

Ao contrário dos sistemas quânticos, porém, um supercomputador baseado em laser não é sensível às condições ambientais e não precisa funcionar em vácuo ultra-alto. Ele também demonstra escalabilidade notável sem exigir aumento no tamanho do dispositivo. O tamanho compacto das soluções de processamento a laser, que são construídas com componentes comerciais prontamente disponíveis, também facilita sua acessibilidade. Todos esses benefícios abrem caminho para uma adoção mais ampla, não apenas para aplicações locais, mas também para casos de uso de IoT, como veículos autônomos, bem como implantação em campo em plataformas petrolíferas e outros locais remotos. 

Olhando para o futuro no processamento a laser

Em benchmarks recentes, o processamento a laser demonstrou sua capacidade de resolver problemas NP-difíceis. Esta é uma conquista monumental, dando uma indicação precoce de que o processamento a laser tem um enorme potencial computacional. À medida que continua a desenvolver-se e a evoluir, poderá revolucionar o campo da computação e resolver problemas que antes eram considerados insolúveis. 

Grandes empresas de tecnologia como IBM, Microsoft e Google estão correndo apressadamente para construir computadores quânticos confiáveis, mas este novo paradigma que utiliza a tecnologia laser já existente e comprovada está resolvendo problemas do mundo real hoje. Pode ajudar as empresas a conservar recursos, aumentar as receitas e reduzir o consumo de energia, capacidades extremamente necessárias no actual clima economicamente desafiante. O processamento a laser está se tornando parte integrante do cenário da supercomputação e está bem posicionado para superar a HPC e a computação quântica nos próximos anos.

Ruti Ben Shlomi, PhD, é física e CEO da LightSolver, que ela cofundou com o Dr. Chene Tradonsky em 2020 após inventar o primeiro LPU. Antes de LightSolverName, Ruti recebeu seu doutorado em física quântica e atômica/molecular em 2019 pelo Instituto Weizmann de Ciência em Israel. Em 2011, ela recebeu seu mestrado em física pela Universidade Ben-Gurion do Negev depois de projetar e construir um sistema de átomos ultrafrios do zero. Entre os cursos, Ruti atuou como engenheiro de processos na Intel. 

Categorias:
Artigo convidado, fotônica, Computação quântica, pesquisa

Tags:
lasers, LightSolverName, Ruti Ben Shlomi

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• Fonte: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/quantum-particulars-guest-column-beyond-hpc-ahead-of-quantum-laser-processing-emerges-as-the-breakthrough-solution-for-complex-optimization-challenges/