A teoria da computação quântica remonta à década de 1980, mas foi apenas nos últimos cinco a dez anos ou mais que a vimos avançar o suficiente a ponto de se tornar realisticamente uma possibilidade comercial.

A maioria das empresas de computação quântica tem sido empreendimentos científicos liderados por acadêmicos; empresas fundadas por doutores liderando equipes de doutores. Mas, à medida que a indústria amadurece e as empresas olham para um futuro de fabricação e operação de computadores quânticos em escala de produção, a demografia dos funcionários está mudando.

Embora a pesquisa e o desenvolvimento sempre desempenhem uma parte central de todas as empresas de tecnologia, tornar os computadores quânticos viáveis no mundo real significa que essas startups estão pensando em como construir, manter e operar sistemas vinculados a SLA em ambientes de produção.

Essa nova fase do setor exige que as empresas mudem a mentalidade, a tecnologia e a equipe.

Choques culturais e mudança de rostos

Na empresa de computação quântica Atom Computing, cerca de 40 dos 70 funcionários da empresa têm PhDs, muitos ingressando diretamente na academia. Esse tipo de demografia de funcionários acadêmicos é comum em toda a indústria quântica.

“Eu arriscaria que mais da metade de nossa empresa não tem experiência trabalhando em uma empresa anteriormente”, diz Rob Hays, CEO da Atom. “Portanto, há uma ponte interessante entre a cultura acadêmica versus a startup de tecnologia do Vale do Silício; são dois mundos diferentes e tentar fazer a ponte entre as pessoas de um mundo para o outro é desafiador. E é algo em que você tem que se concentrar e trabalhar abertamente e ativamente”.

Amadurecer de pequenas startups para grandes empresas com clientes e acionistas exigentes é um caminho bem trilhado para centenas de empresas de tecnologia no Vale do Silício e em todo o mundo.

E os computadores quânticos estão chegando lá: empresas como a IonQ, Rigetti e D-Wave já estão listadas na Nasdaq e na Bolsa de Valores de Nova York – embora as duas últimas empresas tenham tido que lidar em vários momentos com a perspectiva de saírem da Bolsa pelos baixos preços das ações.

A maioria das empresas quânticas com as quais a DCD falou para a matéria está passando por uma transição do modo de pesquisa e desenvolvimento puro para uma fase mais operacional e de engenharia.

“Quando entrei pela primeira vez, há quatro anos, a empresa era inteiramente formada por PhDs”, diz Peter Chapman, CEO da IonQ. “Estamos agora no meio de uma mudança cultural de uma organização acadêmica e passando para uma organização de engenharia. Paramos de contratar doutores; a maioria das pessoas que estamos contratando hoje em dia são engenheiros de software, mecânicos e de hardware. E a próxima fase é uma empresa de produtos focada no cliente”.

Chapman aponta as contratações de nomes como Pat Tan e Dean Kassmann – anteriormente no Lab126 da Amazon e na empresa de foguetes Blue Origin, respectivamente – como evidência de que a empresa está migrando para uma força de trabalho mais focada em produtos e engenharia.

Em 2023, Chris Monroe, cofundador e cientista-chefe da IonQ, deixou a empresa para retornar à academia na Universidade Duke, na Carolina do Norte.

Durante a teleconferência de resultados anunciando a saída de Monroe, Chapman disse: “Chris seria o primeiro a dizer que a física por trás do que a IonQ está fazendo agora está resolvida. É [agora] em grande parte um problema de engenharia”.

Hays, da Atom, observa que muito do trabalho de engenharia que a empresa está fazendo para se preparar para serviços e aplicativos em nuvem é baseado em software, o que significa que a empresa está procurando engenheiros de software.

“Estamos procurando principalmente pessoas que trabalharam em fornecedores de serviços em nuvem e grandes empresas de software e têm interesse em aprender e já algum conhecimento básico da física e da ciência subjacentes”, diz ele. “Mas temos a sorte de essas pessoas se autoselecionarem e nos encontrarem. Temos um número bastante alto de engenheiros de software que têm graduação em física e um interesse extremo em mecânica quântica, embora por ofício e experiência sejam engenheiros de software”.

Operacionalização de computadores quânticos

Computadores quânticos on-premise são atualmente raridades amplamente reservadas para laboratórios de computação nacionais e instituições acadêmicas. A maioria dos fornecedores de unidades de processamento quântico (QPU) oferece acesso a seus sistemas por meio de seus próprios portais da web e por meio de fornecedores de nuvem pública.

Mas os sistemas atuais raramente são esperados (e contratados) para funcionar com a resiliência e redundância de cinco a 9 que podemos esperar de hardware de silício testado.

“Nesse momento, os sistemas quânticos são mais parecidos com supercomputadores e são geridos com uma fila; eles provavelmente não estão online 24 horas, os usuários inserem trabalhos em uma fila e obtêm respostas de volta à medida que a fila anda”, diz Hays, da Atom.

“Estamos abordando como nos aproximamos do 24 horas por dia, 7 dias por semana, e como construímos redundância e failover para que, se um sistema ficou offline para manutenção, haja outro disponível o tempo todo. Como construímos um sistema em termos de arquitetura e engenharia, onde podemos fazer hot swaps, upgrades o e alterações com o mínimo de tempo de inatividade possível?”.

Outros fornecedores estão passando por fases semelhantes de como tornar seus sistemas – que atualmente são sensíveis, temperamentais e complicados – prontos para os Data Centers do mundo.

“Eu já tenho um SLA firme com o pessoal da nuvem sobre a quantidade de tempo que fazemos trabalhos diariamente e os prazos para poder fazer isso”, diz Chapman. “Estamos mudando esse SLA para 24 horas por dia, 7 dias por semana, e poder fazer isso sem ter um operador presente. Não é perfeito, mas está melhorando. Daqui a três ou quatro anos, você só precisará de um plantão quando um componente morrer”.

O CTO da Rigetti, David Rivas, diz que sua empresa também está trabalhando para aumentar os tempos de atividade.

“Os próprios sistemas estão se tornando cada vez mais luzes apagadas a cada trimestre”, diz ele, “à medida que os equipamos para esse tipo de operação remota e garantimos que as instalações de produção possam ser equipadas para esse tipo de operação.

Físicos com chaves de fenda

A fabricação e o reparo desses sistemas também estão amadurecendo, desde as primeiras gerações de computadores quânticos. Estes nunca serão produzidos em massa, mas a indústria precisa se afastar de máquinas artesanais únicas para uma abordagem mais semelhante à linha de produção.

“Muito do hardware é construído com a ajuda de engenheiros eletrônicos, engenheiros mecânicos”, diz Hays, da Atom, mas muito ainda é construído por físicos experimentais.

Chapman, da IonQ, acrescenta: “Em nossos sistemas de primeira geração, você precisava de um físico com uma chave de fenda para ajustar a máquina para poder executar sua aplicação. Mas cada geração de hardware coloca mais sob controle de software”.

“Em todos os lugares em que uma chave de fenda pode ser girada, agora há um motor de passo sob controle de software, e o sistema operacional agora está fazendo o ajuste”.

Simon Phillips, CTO da Oxford Quantum Circuits, do Reino Unido, diz que a OQC está focada em como contrata funcionários e trabalha com parceiros para implantar QPUs em Data Centers de colocation.

“E a primeira parte disso começa com se colocarmos 10 QPUs em 10 locais ao redor do mundo, como fazer isso sem ter um exército de 100 engenheiros quânticos em cada instalação?”.

“E a primeira parte disso começa com uma equipe de implantação separada e uma equipe de engenharia de confiabilidade do local que pode executar o SLA nessa máquina”.

E acrescenta: “Nem todos os problemas são problemas quânticos. Não podem ser apenas engenheiros quânticos; não é escalável se forem as mesmas pessoas fazendo tudo”.

“Trata-se de treinar e entender onde estão a primeira e a segunda linhas de suporte, ter um sistema em cascata e utilizar quaisquer mãos inteligentes para que possamos treinar pessoas que já trabalham em Data Centers”.

A cadeia de suprimentos da Quantum amadurece

Enquanto as startups quânticas estão passando por seu próprio processo de amadurecimento, seus fornecedores também estão sendo forçados a aprender sobre as necessidades dos operadores comerciais e o que significa implantar em um Data Center de produção.

Durante anos, a cadeia de suprimentos – inclusive para os refrigeradores de diluição que mantêm muitos computadores quânticos superresfriados – lidou com clientes acadêmicos amplamente autossuficientes em espaços de laboratório.

Richard Moulds, gerente geral da Amazon Braket na AWS, disse à DCD que o mercado de refrigeradores de diluição é uma “indústria caseira” com poucos fornecedores.

Um dos principais fornecedores de geladeiras é a Oxford Instruments, uma spin-out da Universidade de Oxford do final da década de 1950 que lançou a primeira unidade de diluição comercial em 1966. O outro grande incumbente, Blufors, foi desmembrado do que hoje é o Laboratório de Baixas Temperaturas da Universidade de Aalto, na Finlândia, há 15 anos.

Antes da corrida da computação quântica, a maior mudança nos últimos anos foi a introdução da tecnologia de tubos de pulso. Em vez de um criostato inserido em um banho de hélio líquido4, os computadores quânticos agora podem usar um sistema de circuito fechado (também conhecido como geladeira/criostato).

Isso significa que os sistemas podem se tornar menores, mais eficientes, mais controlados por software - e mais fáceis de usar.

“Com a geladeira de diluição úmida (ou criostato), você precisa de salas de dois andares para a altura do teto. Você precisa de técnicos para recarregar hélio e executar liquefadores, você precisa comprar hélio para continuar recarregando”, diz Harriet van der Vliet, gerente de segmento de produtos de tecnologias quânticas da Oxford Instruments.

“Era um processo bastante manual e levaria talvez uma semana apenas para pré-esfriar e isso nem chegaria à temperatura base”.

Durante anos, as geladeiras foram a reserva de acadêmicos que faziam ciência dos materiais; eles eram mais propensos a ganhar um prêmio Nobel do que fazer parte de um contrato de computação.

“Historicamente, é um produto de laboratório. Nossos clientes eram especialistas em temperatura ultrabaixa (ULT); se algo desse errado, eles mesmos consertavam”, diz Van der Vliet. “Agora, nossos clientes deixaram de ser simplesmente acadêmicos para serem jogadores comerciais que precisam de sistemas amigáveis que funcionem por botões”.

Embora a empresa tenha se recusado a divulgar números, Oxford disse que viu uma mudança “perceptível” na demografia de clientes em relação aos clientes comerciais de computação quântica nos últimos anos, mas também uma mudança nas tendências de compra. As empresas de QPU são mais propensas a comprar várias geladeiras de uma só vez, em vez de uma única unidade a cada poucos anos para um laboratório de pesquisa acadêmica.

“A parte comercial está crescendo, com certeza”, acrescenta David Gunnarsson, CTO da Blufors. A empresa expandiu a capacidade da fábrica para quase dobrar a capacidade de produção para atender à crescente demanda.

“Tem havido cada vez mais tentativas de criar receita com a tecnologia de computação quântica. Eles estão comprando nossos sistemas para realmente implementar e ter um aplicativo do qual eles acham que podem criar dinheiro. Agradecemos a discussão com os Data Centers para que eles possam entender nossa tecnologia da perspectiva da criogenia”.

E embora a indústria esteja trabalhando para minimizar ao máximo os fatores de forma, para o futuro previsível a indústria se estabeleceu essencialmente no super resfriamento de força bruta com geladeiras maiores. Ambas as empresas lançaram novos refrigeradores de diluição projetados para computadores quânticos.

Sistemas de geladeiras menores (e menor contagem de qubits) podem caber em racks, mas a maioria dos sistemas super-resfriados de contagem de qubits maiores requer uma pegada muito maior do que os racks tradicionais. O maior sistema Kide da Blufors pode resfriar cerca de 1.000 qubits: o sistema tem pouco menos de três metros de altura e 2,5 metros de diâmetro, e o piso abaixo dele precisa ser capaz de levar cerca de 7.000 quilos de peso.

“Isso mudou a maneira como fazemos nosso produto”, diz Gunnarsson. “Antes eram ferramentas de laboratório; o tempo de atividade não era muito discutido. Agora estamos fazendo muitas mudanças em nossa linha de produtos para garantir que você possa ter mais certeza sobre qual será o tempo de atividade do seu sistema”.

Parte do desafio de tempo de atividade que os fornecedores enfrentam em torno das geladeiras – uma área onde Gunnarsson observa que ainda há algo de incompatível – está no ciclo de aquecimento/resfriamento das máquinas.

Enquanto anteriormente os sistemas de banho úmido podiam levar uma semana para chegar às temperaturas necessárias, os novos sistemas secos podiam levar apenas um ou dois dias em cada sentido. Isso é importante, porque os ciclos de resfriamento e aquecimento são efetivamente tempo de inatividade; um palavrão quando se fala em disponibilidade de serviços.

“A velocidade com que você pode chegar à temperatura é quase tão importante quanto o tamanho do chip que você pode realmente refrigerar”, diz Moulds, da AWS. “Hoje, se você quiser trocar o silício físico do dispositivo, você tem que aquecer esse dispositivo e depois resfriá-lo novamente, isso é um ciclo de quatro dias. É um problema: significa que as máquinas ficam offline por muito tempo para mudanças relativamente pequenas”.

Embora isso possa não ser um problema para máquinas em operação – o CTO da Rigetti Rivas diz que suas máquinas podem estar em serviço por meses de cada vez, enquanto a Oxford Instruments diz que um sistema OQC estava em operação ininterruptamente por mais de um ano – o longo ciclo de aquecimento/resfriamento é uma barreira para testes rápidos.

“Do ponto de vista da produção, os sistemas permanecem frios por um tempo relativamente longo”, diz Rivas. “Mas estamos constantemente executando chips através de sistemas de teste à medida que inovamos e aumentamos a capacidade, e 48 horas para resfriar um chip é muito tempo em um ciclo de desenvolvimento geral”.

Oxford Instruments e Blufors podem ser as incumbentes, mas há um número crescente de novos players entrando no espaço da geladeira, alguns especificamente focados em computação quântica.

“O mercado cresceu para refrigeradores de diluição, então há muito mais startups no espaço, além de fazer diferentes sistemas de refrigeração”, diz Van der Vliet. “Há muito mais players, mas o mercado está crescendo”.

“Acho que é realmente saudável que haja muitos jogadores em campo, particularmente novos jogadores que estão fazendo as coisas um pouco diferente de como sempre fizemos”.

Os operadores históricos estão bem posicionados para continuar a sua liderança no mercado, mas os operadores de QPU estão esperançosos que a concorrência resultará em melhores produtos.

“Surgirá propriedade intelectual genuína nessa área e você definitivamente começará a ver projetos personalizados e sistemas proprietários que podem manter a temperatura diante do aumento da potência”.

Hays, da Atom, observa que, para sistemas quânticos baseados em laser, os próprios lasers são provavelmente a maior restrição na cadeia de suprimentos. Como os refrigeradores de diluição, essas ainda são tecnologias em grande parte científicas feitas por um punhado de fornecedores.

“Precisamos de lasers relativamente potentes que precisam ser muito silenciosos e muito precisos”, diz ele. “Os nossos estão fora da prateleira, mas são semi-personalizados e feitos sob encomenda. Isso significa que há longos prazos de entrega; em alguns casos, até um ano”.

Ele acrescenta que muitos dos circuitos integrados fotônicos ainda são relativamente pequenos - do tamanho de níquel e centavos - mas espera que eles possam diminuir para o tamanho de semicondutores no futuro para ajudar a reduzir a pegada.

Ruído comercial: a morte da colaboração quântica

Por enquanto, a indústria quântica ainda está desfrutando do que pode ser o outono de seus dias acadêmicos felizes. A próxima fase pode muito bem levar à supremacia quântica e a uma nova fase na computação de alto desempenho, mas provavelmente levará a uma indústria menos aberta.

“Acho bom que a indústria ainda esteja nesse modo”, diz Moulds, da AWS. “A indústria ainda está adotando uma abordagem relativamente aberta ao desenvolvimento. Ainda não estamos no modo de todo mundo trabalhar em seus bunkers secretos, construindo máquinas secretas. Mas a história mostra que, uma vez que haja uma oportunidade clara, há o risco de as persianas caírem e se tornar uma indústria mais enxuta”.

“No final, isso é bom para os clientes; reduz os custos e aumenta a confiabilidade e o desempenho. Mas pode parecer um pouco brutal para alguns dos acadêmicos que estão na indústria agora”.