Este ano, a Alemanha deu início ao seu Roadmap Quantencomputing para estabelecer as bases para um ecossistema de computação quântica baseado na Alemanha. O país reservou dois bilhões de euros para concretizar a visão. Mas construir um cenário de computação quântica envolve mais do que apenas hardware; requer colaboração entre instituições de pesquisa, indústria, governo e, o mais importante, a comunidade.
A comunidade quântica da Alemanha é um espaço extremamente vibrante. A pesquisa quântica está em andamento em muitas das universidades, empresas e institutos de pesquisa do país sob a égide de Fraunhofer-Gesellschaf, DLR, a Sociedade Max Planck, os institutos da Associação Helmholtz e outros. Embora nenhuma história possa capturar totalmente a complexidade do campo quântico alemão, todos esses esforços estão guiando o país em direção a um objetivo único: se tornar um líder quântico europeu.
“A Alemanha tem uma história de ser a oficina mecânica do mundo”, disse Stefan Filipp, professor de Física da Universidade Técnica de Munique e Diretor do Walther-Meißner-Institut da Academia de Ciências da Baviera. “Há um sentimento de que precisamos continuar com isso para que outras tecnologias cheguem - como a computação quântica.”
Entre os esforços mais notáveis está o Roadmap Quantencomputing, que fornece um objetivo central para a pesquisa quântica do país: construir um computador quântico alemão nos próximos cinco anos. Enquanto isso, Fraunhofer adquiriu recentemente acesso exclusivo ao primeiro IBM Quantum System One da Europa, fornecendo acesso de hardware quântico a milhares em todo o país. A visão quântica da Alemanha se estende à Europa como um todo, à medida que os pesquisadores trabalham com os principais parceiros europeus em projetos estratégicos como o OpenSuperQ para construir um computador quântico de código aberto para qualquer pessoa em todo o continente. Enquanto isso, a equipe Qiskit está trabalhando para promover e apoiar a comunidade que cresce em torno desses desenvolvimentos.
Uma Visão Central: O Roteiro da Quantencomputação
Em 2020, como parte de um estímulo econômico geral, o governo alemão anunciou pela primeira vez que havia reservado dinheiro para desenvolver um computador quântico enquanto criava um roteiro para construir um ecossistema quântico mais amplo. Os legisladores alemães notaram que grandes empresas internacionais e outros países estavam construindo tecnologia e comunidades e queriam garantir que a Alemanha, e a Europa em geral, pudessem ter uma participação mais forte no desenvolvimento da tecnologia.
O roteiro atende a alguns propósitos importantes, explicou Filipp, um dos co-presidentes do comitê do roteiro. Não apenas identifica problemas e mapeia o desenvolvimento de tecnologia, mas também traça uma maneira de atrair mais expertise quântica para a Alemanha e para a Europa como um todo. E, é claro, fornece uma estratégia para o treinamento da força de trabalho de alunos, técnicos e outros especialistas.
Ficou claro para o comitê do roteiro que nenhum grande participante poderia liderar o caminho sozinho, então o roteiro prioriza a construção de links entre vários segmentos do espaço quântico. Filipp explicou que o roteiro exige a designação de centros regionais centralizados - Centros de Competência - para formar redes entre universidades, instituições de pesquisa e parceiros da indústria. O roteiro recomenda que a pesquisa deve se concentrar em tecnologia que atingiu um certo nível de maturidade, como supercondutores, íons aprisionados e computadores quânticos de átomo frio. No entanto, também recomenda que a pesquisa básica em outras arquiteturas de hardware continue.
O comitê do roteiro destacou especificamente a importância de fomentar o desenvolvimento comercial e a transferência de tecnologia, incluindo a garantia de que as empresas possam comprar componentes de empresas locais, em vez de importá-los. “Precisamos identificar os jogadores que podem realmente comercializar o produto”, disse Filipp. Os hubs se concentrarão na criação de diretrizes para determinar o que pode ser construído localmente e o que deve ser importado. Filipp também prevê a troca direta de informações entre a indústria e a pesquisa, a fim de fortalecer ainda mais esses vínculos.
Abrindo Quantum para milhares de iniciantes
Enquanto a Alemanha trabalha para construir um computador quântico próprio nos próximos anos, a chanceler Angela Merkel, ela mesma com um doutorado em química quântica, ficou impressionada ao ver o progresso da IBM em seus computadores quânticos e decidiu que o país deveria apostar em uma maior reclamar no campo o mais rápido possível. Esse foi o início do relacionamento entre Fraunhofer-Gesellschaft e IBM, com o objetivo de trazer o primeiro IBM Quantum System One para a Europa. Fraunhofer, a organização de pesquisa orientada a aplicativos líder da Europa com mais de 80 instalações de pesquisa, incluindo 75 instituições em toda a Alemanha, teve acesso exclusivo a um IBM Quantum System One operado pela IBM em Ehningen, Baden-Württemberg, desde janeiro de 2021.
A iniciativa beneficia os pesquisadores da Fraunhofer que desejam desenvolver algoritmos para resolver problemas práticos, é claro, mas a Fraunhofer também oferece acesso ao sistema para parceiros externos, como universidades e empresas que podem estar interessadas nesta tecnologia para pesquisa civil e educação, mas não têm um grande orçamento para experimentá-lo no momento, explicou o Prof. Dr. Oliver Ambacher do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido (IAF). O Fraunhofer visa o acesso ao dispositivo a iniciantes que desejam saber mais sobre computação quântica, bem como a especialistas que procuram parceiros em projetos de pesquisa ou que desejam desenvolver seus próprios algoritmos quânticos. O acesso requer um contrato de uso, mas o uso é na base de um tíquete mensal. Isso dá aos parceiros a maior flexibilidade possível sem um compromisso de longo prazo.
O IBM Quantum System One de Fraunhofer também serve como um exemplo do modelo de Centro de Competência do Quantum Roadmap em ação. O estado federal de Baden-Württemberg ajudou a financiar o dispositivo, bem como alguns dos projetos. No momento, sete Institutos Fraunhofer e várias universidades e empresas estão se envolvendo nesses projetos de computação quântica, com ainda mais institutos e organizações envolvidos na Fraunhofer Competence Network Quantum Computing.
Os cientistas já tiveram a chance de trabalhar com o IBM Quantum System One. Os projetos atuais enfocam a otimização quântica com algoritmos resilientes, engenharia de software de aplicações quânticas industriais e algoritmos. As aplicações incluem novas abordagens de simulação para materiais em futuros sistemas de armazenamento de energia, a otimização de carteiras financeiras e a melhoria dos parâmetros de estabilidade em infraestruturas críticas de fornecimento de energia, disse Ambacher. Ele também acha que o sistema pode ajudar a construir confiança e relacionamentos importantes para a melhoria da computação quântica em geral.
Um computador quântico aberto para toda a Europa
Cientistas alemães estão pensando além da Alemanha e estão trabalhando para criar um sistema quântico aberto para toda a Europa. Frank Wilhelm-Mauch, professor de Física da Saarland University, espera oferecer aos pesquisadores europeus acesso a um computador quântico que, por si só, é uma ferramenta de pesquisa e desenvolvimento para ajudar os usuários a compreender verdadeiramente as profundezas do hardware quântico por meio do projeto OpenSuperQ, baseado no Forschungszentrum Jülich na Renânia do Norte-Vestfália.
“O setor público tem um lugar único na computação quântica para criar ferramentas para desenvolvedores de hardware para conectar componentes em uma máquina completa e testá-los neste contexto”, disse Wilhelm-Mauch, coordenador do projeto OpenSuperQ. “Com o OpenSuperQ, podemos treinar engenheiros e desenvolvedores de computação quântica em hardware real.”
O projeto OpenSuperQ começou durante algumas discussões anteriores sobre o ecossistema de computação quântica da Alemanha por volta de 2018, disse Wilhelm-Mauch, como uma opção não comercial para pesquisadores na Alemanha e em toda a Europa experimentarem em hardware quântico. O grupo agora está construindo um computador quântico supercondutor tradicional - mas é mais do que apenas uma ferramenta experimental. O treinamento de engenheiros que serão capazes de construir e manter hardware e componentes quânticos é crucial para a expansão da computação quântica. Wilhelm-Mauch espera que o dispositivo OpenSuperQ possa servir como um campo de treinamento para os engenheiros iniciantes.
Embora seu alcance seja continental, o projeto OpenSuperQ também desempenha um papel importante no ecossistema quântico alemão. A localização do projeto em Forschungszentrum Jülich está ajudando a atrair e reter expertise local em hardware quântico. Além disso, por meio da plataforma JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) do Forschungszentrum Jülich, empresas e pesquisadores em toda a Alemanha têm acesso ao dispositivo OpenSuperQ e a outros hardwares quânticos.
Apoiando Quantum na Alemanha com a Comunidade Qiskit
Desde a virada do século 20, os cientistas alemães têm desempenhado um papel significativo em contribuir para os conceitos fundamentais e compreensão da tecnologia quântica subjacente, como o Princípio da Incerteza de Heisenberg ou a constante de Planck. Esses cientistas estavam fortemente ligados em educação e pesquisa em escala internacional e, especialmente, com seus vizinhos de língua alemã na Áustria e na Suíça. Esses países são famosos por seu sistema educacional único, que garante uma oferta significativa de engenheiros treinados na prática, que podem converter conceitos em soluções tecnológicas robustas, levando assim a uma inovação bem-sucedida por meio da colaboração com a indústria.
A equipe da comunidade Qiskit está trabalhando em vários níveis para envolver a comunidade de computação quântica na Alemanha. Uma grande coorte alemã participa de eventos globais Qiskit, como a Global Summer School, por exemplo. A equipe Qiskit na Europa criou eventos direcionados ao público DACH (Alemanha, Áustria, Suíça), incluindo nossa série de seminários IBM Quantum Fridays, o Qiskit Hackathon Europe e vários workshops. Os estagiários, defensores e entusiastas da comunidade Qiskit de todo o mundo nos permitem desenvolver uma rede local de especialização em computação quântica. “Existem tantas oportunidades para os jovens entrarem na computação quântica e na ciência da informação quântica que estamos praticamente inundados com eventos, conferências e oportunidades de conexão e rede”, disse Caroline de Groot, ex-estagiária da Qiskit e Ph.
A Qiskit também colaborou com universidades e Fachhochschulen em Berlim para organizar o Girls Day para apresentar as meninas do ensino médio a tópicos STEM, em particular a computação quântica. “O dia das meninas foi uma maneira incrível de inspirar e motivar os especialistas em computação quântica de amanhã e ajudar a criar uma força de trabalho quântica alemã igualitária”, disse Isabel Nha Min Le, estagiária da Qiskit e estudante de mestrado na RWTH Aachen University.
O Qiskit não apenas organiza eventos, mas também promove relacionamentos com professores e instituições locais, pois esta é talvez a forma mais eficaz de desenvolver uma comunidade local - construir uma rede local requer a parceria com e entre instituições locais. Além disso, estudantes e desenvolvedores quânticos em toda a Alemanha começaram a adotar o Qiskit como uma linguagem ideal para a programação de computadores quânticos.
A história tem demonstrado que a mudança para uma mentalidade de código aberto leva a uma aceleração da inovação e ao avanço da tecnologia em computação de alta potência. Aprendendo com isso, muitos na computação quântica adotaram uma mentalidade de código aberto desde o início - este é um conceito fundamental da Comunidade Qiskit.
Programas de acesso para educadores e pesquisadores
A equipe da IBM desenvolveu programas para promover o acesso a computadores quânticos reais para diferentes públicos. Por exemplo, o programa IBM Quantum Educators fornece acesso a hardware quântico real para educadores e professores em universidades, Fachhochschulen e escolas de ensino médio que usam o livro didático Qiskit online gratuito em seus cursos para que seus alunos tenham acesso a computadores quânticos durante as sessões de ensino sem ter que lidar com longos tempos de espera. Os interessados podem enviar inscrições para análise.
O programa IBM Quantum Researchersem vez disso, concentra-se em pesquisadores acadêmicos, incluindo pesquisadores de pós-doutorado e alunos de doutorado, trabalhando em projetos de pesquisa de computação quântica que podem potencialmente levar a publicações impactantes em áreas como o desenvolvimento de novos algoritmos ou controle aprimorado de sistemas qubit. Atualmente, existem vários sistemas de 5 e 7 qubit disponíveis para acadêmicos inscritos neste programa. Além disso, para pesquisadores que exigem sistemas mais avançados para seu trabalho, a IBM oferece Access Awards com base em projeto para acesso temporário a um sistema de 16 qubit. Os cientistas podem se inscrever no programa submetendo uma proposta de projeto para avaliação técnica e de mérito, com a expectativa de que o prêmio leve a resultados que serão compartilhados com a comunidade científica por meio de publicação ou apresentação em congresso.
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Graças a uma infinidade de esforços, a quantum está florescendo na Alemanha, com um ecossistema construído sobre a liderança e os pontos fortes do país em áreas como pesquisa básica e desenvolvimento de hardware. O caminho a seguir está enraizado na ciência aberta e na colaboração em instituições acadêmicas, apoiadas pelos esforços de construção de rede e transferência de tecnologia dos Centros de Competência para garantir que a pesquisa apóie o crescimento de um setor empresarial quântico também. Esperamos que este modelo não apenas torne a Alemanha um líder quântico global, mas também impulsione o campo da computação quântica na Europa e no resto do mundo