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Nanofotônica pode ser o ‘azarão’ da corrida da computação quântica

A corrida para construir os primeiros computadores quânticos práticos parece uma competição de dois cavalos entre máquinas construídas a partir de qubits supercondutores e aquelas que usam íons aprisionados. Mas uma nova pesquisa sugere que um terceiro contendor – máquinas baseadas em tecnologia óptica – pode se infiltrar por dentro.

Os computadores quânticos mais avançados hoje são os construídos pelo Google e pela IBM, que dependem de circuitos supercondutores para gerar os qubits que formam a base dos cálculos quânticos. Eles agora são capazes de reunir dezenas de qubits e, embora seja controverso, o Google afirma que suas máquinas alcançaram a supremacia quântica – a capacidade de realizar uma computação além dos computadores normais.

Recentemente, essa abordagem foi desafiada por uma onda de empresas que buscam usar qubits de íons aprisionados, que são mais estáveis ​​e menos sujeitos a erros do que os supercondutores. Embora esses dispositivos sejam menos desenvolvidos, a gigante da engenharia Honeywell já lançou uma máquina com 10 qubits, que diz ser mais poderosa do que uma máquina feita de um número maior de qubits supercondutores.

Mas, apesar desse progresso, ambas as abordagens têm algumas desvantagens importantes. Eles exigem métodos de fabricação especializados, mecanismos de controle incrivelmente precisos e precisam ser resfriados até quase zero absoluto para proteger os qubits de qualquer interferência externa.

É por isso que os pesquisadores do hardware de computação quântica canadense e da startup de software Xanadu estão apoiando uma abordagem alternativa de computação quântica baseada em óptica, que foi considerada por muito tempo impraticável. Em um artigo publicado na Nature, eles revelaram o primeiro chip óptico totalmente programável e escalável que pode executar algoritmos quânticos. Não apenas o sistema funciona em temperatura ambiente, mas a empresa diz que pode chegar a milhões de qubits.

A ideia não é exatamente nova. Como Chris Lee observa no “Ars Technica”, as pessoas têm experimentado abordagens ópticas para computação quântica por décadas, porque codificar informações nos estados quânticos dos fótons e manipular esses estados é relativamente fácil. O maior problema era que os circuitos ópticos eram muito grandes e não eram facilmente programáveis, o que significava que você tinha que construir um novo computador para cada novo problema que quisesse resolver.

Isso começou a mudar graças à crescente maturidade dos circuitos integrados fotônicos. Enquanto os primeiros experimentos com computação óptica envolveram arranjos de mesa complexos de lasers, lentes e detectores, hoje é possível comprar chips de silício não muito diferentes dos eletrônicos que apresentam centenas de minúsculos componentes ópticos.

Nos últimos anos, a confiabilidade e o desempenho desses dispositivos melhoraram drasticamente e agora eles são usados ​​regularmente pelo setor de telecomunicações. Algumas empresas acreditam que também podem ser o futuro da inteligência artificial.

Isso permitiu que os pesquisadores de Xanadu projetassem um chip de silício que implementa uma rede óptica complexa composta de divisores de feixe, guias de onda e dispositivos chamados interferômetros que fazem com que as fontes de luz interajam umas com as outras.

O chip pode gerar e manipular até oito qubits, mas ao contrário dos qubits convencionais, que podem estar simultaneamente em dois estados, esses qubits podem estar em qualquer configuração de três estados, o que significa que podem transportar mais informações.

Depois que a luz viaja pela rede, ela é enviada para os detectores de contagem de fótons de última geração que fornecem o resultado. Essa é uma das limitações potenciais do sistema, porque atualmente esses detectores precisam ser resfriados criogenicamente, embora o resto do chip não.

Mas, o mais importante, o chip é facilmente reprogramável, o que permite resolver uma variedade de problemas. A computação pode ser controlada ajustando-se as configurações desses interferômetros, mas os pesquisadores também desenvolveram uma plataforma de software que esconde a complexidade física dos usuários e permite que eles a programem usando um código bastante convencional.

A empresa anunciou que seus chips estavam disponíveis na nuvem em setembro de 2020, mas o artigo da Nature é o primeiro teste revisado por pares de seu sistema. Os pesquisadores verificaram que os cálculos feitos eram genuinamente de natureza quântica, mas também implementaram mais dois algoritmos práticos: um para simular moléculas e outro para julgar a semelhança entre dois gráficos, que tem aplicações em uma variedade de problemas de reconhecimento de padrões.

Em um artigo de opinião que o acompanha, Ulrik Andersen da Universidade Técnica da Dinamarca diz que a qualidade dos qubits precisa ser melhorada consideravelmente e as perdas de fótons reduzidas se a tecnologia for escalar para problemas práticos. Mas, diz ele, essa descoberta sugere que as abordagens ópticas “podem acabar sendo o azarão da computação quântica”.

Edd Gent para SingularityHub.

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As lições do Covid-19, por Gregg Maryniak

Durante anos, pode parecer que o mundo é previsível e, então, de repente, tudo muda.

A maioria de nós ficou chocada com a velocidade com que o coronavírus, Covid-19, varreu o mundo. Mas o ritmo de 2020 é mais compreensível se você ver a pandemia como um fenômeno exponencial.

Quando a disseminação não era controlada, as infecções por coronavírus dobravam em um curto período de tempo, e o tempo de duplicação em si estava diminuindo. Isso criou uma curva exponencial clássica em que pequenas duplicações pareciam inofensivas o suficiente, mas, em um piscar de olhos, explodiram em uma pandemia mundial.

Achamos desafiador planejar o crescimento exponencial pois nossos cérebros estão preparados para o crescimento linear, onde cada etapa é equivalente em tamanho à última. Na falta de planejamento ou visão, ficamos com os pés no chão. O crescimento exponencial da pandemia ceifou muitas vidas e muitos meios de subsistência. Suas consequências sociais e econômicas serão sentidas por anos e estão apenas começando a ficar claras.

É uma lição sobre o poder das tendências exponenciais para perturbar o status quo e um lembrete crucial de que os humanos muitas vezes são cegos para oportunidades e perigos exponenciais. Vamos superar a pandemia, mas teremos aprendido alguma coisa? Vamos dar uma olhada em algumas das lições que esta crise oferece.

Mudanças radicais acontecem
A primeira lição é que o mundo não é estático. Mesmo os maiores e aparentemente mais permanentes acessórios em nossas vidas – de sistemas de crenças a instituições – podem mudar e realmente mudam. A maioria de nós viveu em uma época em que, apesar das notícias terríveis do noticiário noturno, as condições em geral melhoraram. Como resultado, a maioria das pessoas cresceu com a crença de que o mundo do futuro próximo será semelhante ao do passado recente. Covid-19 é um lembrete gritante de que o mundo pode mudar radicalmente.

A lição de que grandes interrupções (boas e ruins) são muito reais é importante. Os humanos são surpreendentemente resistentes a mudanças. Acreditamos que o mundo em que habitamos sempre foi do jeito que é e provavelmente será assim no futuro. Não é apenas a comunidade empresarial relativamente conservadora que nutre essas crenças. Mesmo o mundo racional da ciência exibe esse tipo de inércia intelectual, levando o célebre físico Max Planck a fazer a famosa observação: “A ciência avança um funeral de cada vez.”

Um corolário valioso e positivo da lição de que a mudança acontece é que não devemos ter medo de tentar coisas novas. O risco relativo de experimentação é pequeno. Na verdade, é imperativo para a sobrevivência da civilização e de nossa espécie que experimentemos, apesar da resistência tradicional à mudança que tem sido a norma durante os tempos “normais” (pré-vírus).

A mudança pode acontecer mais rápido do que o esperado
A maior surpresa sobre o poder dos perigos exponenciais é a rapidez com que podem impactar o mundo. Mesmo aqueles de nós que pensaram muito em questões exponenciais ficaram surpresos com a rapidez com que o mundo mudou nos últimos meses.

Se a segunda lição é que a mudança acontece rapidamente, uma observação relacionada é que algumas das condições que agora consideramos certas são situações surpreendentemente recentes. Por exemplo, já se passaram 52 anos desde que a humanidade viu pela primeira vez a foto icônica da Terra, tirada pela tripulação da Apollo 8. Essa imagem levou ao primeiro Dia da Terra e à aceleração do movimento ambiental global. Como alguém que estava por perto quando esses eventos aconteceram, eles me parecem bastante recentes. Mas, surpreendentemente, nosso mundo moderno de abundância de energia está apenas cerca de cinco vezes mais distante no tempo do que Apollo. A máquina a vapor aprimorada de James Watt (desbloqueando a antiga energia solar armazenada nos combustíveis fósseis) desencadeou a primeira Revolução Energética e seu fenômeno de segunda ordem, a Revolução Industrial, há apenas 250 anos.

Esquerda: Terra vista da órbita lunar pelos astronautas da Apollo 8. À direita: uma máquina a vapor Watt do século 19. Crédito da imagem: NASA, Nicolás Pérez via Wikimedia Commons.

O que podemos fazer com essas lições?
Agora que experimentamos o poder perturbador de um perigo exponencial, o que devemos fazer?

Em primeiro lugar, devemos reconsiderar a importância de lidar com ameaças existenciais previsíveis – eventos que têm o potencial de perturbar maciçamente a vida das gerações presentes e futuras. Frequentemente, esses eventos têm baixa probabilidade em um determinado período de tempo, mas grande consequência quando ocorrem. Os exemplos incluem pandemias ou outros desastres biológicos, guerra nuclear e impactos de asteroides ou de cometas.

Covid-19 demonstrou a futilidade de fingir que essas coisas não podem ou não vão acontecer ou que irão embora por si mesmas. Devemos priorizar o investimento em abordagens políticas, tecnológicas e econômicas para detectar, prevenir e mitigar os efeitos dessas ameaças em nosso mundo pós-Covid 19.

Uma ameaça existencial está em uma classe própria. A interrupção dos padrões climáticos da Terra pela liberação de dióxido de carbono da humanidade já está em andamento e é reconhecida por praticamente toda a comunidade científica e pela maioria do mundo. Tendo experimentado as consequências das negações moralmente falidas da ameaça da Covid-19, esperamos que escolhamos abordar a ameaça imediata da mudança climática e continuar a expandir os esforços para prever e prevenir essas outras ameaças existenciais à humanidade.

Resiliência é a chave
Como o mundo pode lidar melhor com as ameaças e interrupções que enfrentamos?

Uma abordagem é fortalecer os sistemas tecnológicos, políticos e econômicos para que possam resistir às interrupções e se adaptar rapidamente às mudanças. A palavra que melhor descreve essa capacidade é resiliência.

Tendo experimentado a ruptura da Covid-19, o mundo está faminto por visões de um futuro positivo. Agora estamos mais dispostos a considerar noções alternativas de trabalho, educação e maneiras sustentáveis ​​e resilientes de fornecer energia, transporte, manufatura, habitação, assistência médica e outros serviços essenciais da civilização. Precisamos construir resiliência em toda a linha, mas vamos olhar para duas áreas próximas ao meu coração – energia e espaço – como exemplos de como a resiliência pode parecer em breve e em um futuro mais distante.

A Internet da Energia
As reduções dramáticas no custo de conversão da energia solar (tanto diretamente como luz solar e indiretamente como eólica) em eletricidade já estão trazendo um futuro de energia zero carbono ao alcance. Embora a popular imprensa de tecnologia tenha se concentrado na geração e conversão de energia, o verdadeiro desafio para um futuro com zero carbono está em melhorar tanto o armazenamento de energia quanto as redes de energia.

Avanços em ambas as áreas podem resultar em sistemas de energia mais resilientes, adicionando camadas de redundância e descentralização. Em tal rede, a falha em qualquer ponto não fará com que todo o sistema falhe. (Este é o tipo de resiliência que devemos ter como objetivo em todo o sistema operacional da civilização.)

A rede de energia elétrica que é a base da prosperidade no mundo desenvolvido é essencialmente o mesmo projeto desenvolvido por Westinghouse e Tesla há mais de um século. O advento de sistemas de conversão de energia eólica e solar de baixo custo agora está impulsionando caminhos para melhorar a maior máquina do mundo (como a rede foi descrita) para mover a eletricidade gerada a partir de energia renovável para clientes locais e distantes. Melhorar a rede e estender a disponibilidade de energia elétrica para cerca de um bilhão de pessoas que atualmente não têm acesso é uma importante meta de resiliência social e técnica.

Alguns compararam sistemas de grade aprimorados com a Internet. Mas existem diferenças significativas entre a Internet e a rede. A Internet tem canais de informação, como cabos de fibra ótica de alta capacidade, e grandes quantidades de armazenamento de informações na forma de farms de servidores. Em contraste, a rede elétrica de hoje tem capacidade quase zero de armazenar energia elétrica em grande escala.

Grande parte da energia usada pela sociedade hoje é produzida a partir da queima de combustíveis fósseis, que liberam dióxido de carbono na atmosfera junto com a energia armazenada da antiga luz solar. Na verdade, grande parte da utilidade desses combustíveis reside em sua capacidade de fornecer energia quando necessário e na taxa necessária para corresponder à carga de trabalho. Os combustíveis químicos não apenas fornecem armazenamento de energia, mas são convenientemente transportados por oleodutos, navios e outros meios. Em suma, eles estão no nexo de armazenamento de energia e redes de energia.

Combustíveis de carbono zero, como hidrogênio e amônia feitos de fontes sustentáveis ​​de energia, serão cada vez mais usados ​​não apenas como combustíveis para transporte, mas para uma nova camada de redes de transporte de energia elétrica. Dutos e outros métodos de transporte que movem combustíveis químicos irão aumentar a atual rede elétrica “com fio” e podem superá-la como um mecanismo de transporte de energia. Esses combustíveis químicos com zero de carbono podem ser usados ​​para produzir eletricidade em células a combustível que produzem água como produto residual (no caso do hidrogênio) ou nitrogênio – o principal constituinte de nossa atmosfera no caso da amônia.

Ter uma grade de energia em várias camadas, movendo a energia tanto “eletricamente” quanto “atomicamente” (como em átomos de combustível químico em movimento) fortalece o sistema de energia geral e o torna resiliente a picos de produção e demanda e danos físicos, como clima danos às linhas de energia. Hoje, os danos locais causados ​​por uma tempestade, por exemplo, podem cair em cascata. Uma pequena falha tem o poder de destruir uma região inteira.

Temos uma prova de existência muito dramática das oportunidades econômicas possibilitadas pelo desenvolvimento de redes resilientes. Quando a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada (EUA) financiou a experimentação em telecomunicações flexíveis, a Arpanet resultante levou diretamente à Internet e à criação de riqueza sem precedentes que ela possibilitou. Também é impressionante observar como a Internet está ajudando o mundo a lidar com a crise da Covid-19.

A Arpanet foi criada para testar as comunicações de rede resilientes no caso de perda de rotas e nós de comunicação. Crédito da imagem: Arpanet Maps

Espaço: o caminho final da resiliência para a civilização
A atual revolução dos voos espaciais comerciais é um passo essencial para proteger a Terra e tornar a humanidade sustentável no futuro previsível. A primeira geração de atividades espaciais foi impulsionada pela competição geopolítica. O raciocínio político para Apollo pode ser expresso em quatro palavras: “Para derrotar os soviéticos.” (E, claro, a lógica soviética era a imagem espelhada dessa afirmação.)

Mas a verdadeira motivação para o vôo espacial é muito mais atraente.

Quando Peter Diamandis e eu começamos a Fundação XPRIZE, fomos inspirados pela visão da humanidade ganhando acesso à energia e aos recursos materiais do sistema solar e as melhores escolhas econômicas e sociais resultantes que a fuga humana para o espaço traria.

Usando materiais no espaço livre – fora dos poços de gravidade profunda dos planetas – podemos fornecer ambientes semelhantes à Terra com áreas terrestres equivalentes a milhares de Terras, capturar energia solar suficiente para abastecer as cidades e megacidades da Terra para sempre e permitir viagens rápidas por todo o sistema solar . As mesmas ferramentas e técnicas podem ser usadas para proteger a Terra de impactos de asteróides ou cometas.

Uma vez que a humanidade aprende a viver em qualquer lugar onde os átomos e a energia estejam disponíveis, nos tornamos impossíveis de matar como espécie. Na verdade, Frank Drake, o criador do SETI (a busca por inteligência extraterrestre) acredita que esses tipos de atividades de habitação espacial são a chave para civilizações de vida longa que melhoram muito a probabilidade de contato entre nós e outros na galáxia.

Ilustração da NASA de um habitat espacial giratório, construção de satélite de energia solar, mineração de asteroide e movimentação de um asteroide com um motor de reação mass-driver. Crédito da imagem: NASA / Denise Watt

Graças à astronomia moderna, estamos começando a entender que a biosfera da Terra é absolutamente única. De todos os milhares de planetas dentro e fora de nosso sistema solar, habitamos o único que atualmente se sabe que contém vida. Nossa profunda responsabilidade para com as gerações presentes e futuras de preservar e proteger esta biosfera é um caso convincente para a busca por resiliência.

Na verdade, a verdadeira razão para o voo espacial é “salvar a Terra”.

Vamos ao trabalho.

Gregg Maryniak para SingularityHub

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Computação quântica e aprendizado por reforço estão unindo forças para tornar a IA mais rápida

O aprendizado por reforço profundo está tendo um momento de superstar.

Alimentando robôs mais inteligentes. Simulando redes neurais humanas. Derrubando médicos em diagnósticos médicos e esmagando os melhores jogadores da humanidade em Go e Atari. Embora longe de alcançar o pensamento flexível e rápido que vem naturalmente aos humanos, essa poderosa ideia de aprendizado de máquina parece imparável como um prenúncio de máquinas pensantes melhores.

Exceto que há um grande obstáculo: eles demoram uma eternidade para funcionar. Como o conceito por trás desses algoritmos é baseado em tentativa e erro, um “agente” de IA de aprendizagem por reforço só aprende depois de ser recompensado por suas decisões corretas. Para problemas complexos, o tempo que um agente de IA leva para tentar e não conseguir aprender uma solução pode rapidamente se tornar insustentável.

Mas e se você pudesse tentar várias soluções ao mesmo tempo?

Esta semana, uma colaboração internacional liderada pelo Dr. Philip Walther da Universidade de Viena pegou o conceito “clássico” de aprendizagem por reforço e deu-lhe um spin quântico. Eles projetaram uma IA híbrida que depende tanto da computação quântica quanto da computação clássica comum e mostraram que – graças à peculiaridade quântica – ela poderia examinar simultaneamente um punhado de maneiras diferentes de resolver um problema.

O resultado é uma IA de aprendizagem por reforço que aprendeu mais de 60 por cento mais rápido do que seus pares não habilitados para quantum. Este é um d