IBM anuncia processador quântico Nighthawk r3 de 520 qubits e planeja sistema de 1.040 qubits em 2027

A IBM anunciou oficialmente o IBM Quantum Nighthawk r3, seu processador quântico de próxima geração projetado para executar com precisão até 10.000 operações quânticas distribuídas em 520 qubits programáveis. A novidade busca resolver problemas computacionais significativamente maiores e mais complexos, mantendo a velocidade e a qualidade já demonstradas pela geração atual da linha Nighthawk. Além do novo chip, a companhia confirmou planos para interligar dois processadores Nighthawk r3 em 2027, formando um único sistema capaz de ultrapassar a marca de 1.000 qubits.

Para que aplicações quânticas tenham relevância prática na indústria, os sistemas precisam combinar qualidade computacional e alta velocidade de execução. Como um computador quântico entrega suas respostas por meio de amostras — em que cada execução de um circuito quântico retorna um único resultado —, aplicações modernas exigem circuitos com milhares de operações em cerca de 100 qubits ou mais, gerando de milhões a bilhões de amostras. Enquanto a escala e a qualidade viabilizam cálculos mais complexos, é a velocidade que define se essas cargas de trabalho exigentes podem ser concluídas em prazos práticos e a um custo viável.

Jay Gambetta, diretor da IBM Research e IBM Fellow, destacou o papel central dessa evolução arquitetural:

“A computação quântica útil depende de os resultados poderem ser entregues com precisão e velocidade; ambos são fundamentais. O Nighthawk já está nos mostrando como isso se parece hoje. À medida que escalamos essa arquitetura para computadores quânticos maiores e mais poderosos, as capacidades da computação quântica alcançarão novos níveis conforme nos integramos mais estreitamente aos recursos clássicos e avançamos rumo à tolerância a falhas.”

O salto de velocidade do Nighthawk r2 em cargas reais

Apresentado em setembro, o IBM Quantum Nighthawk r2 entrega até 100.000 amostras por segundo, suportando cálculos precisos com mais de 7.500 operações quânticas em 120 qubits. Sua tecnologia de reinicialização rápida de qubits reduz drasticamente o intervalo entre as execuções de circuitos, permitindo coletar milhões ou bilhões de amostras com eficiência muito superior.

Até o momento, clientes e parceiros como E.ON, Algorithmiq e Q-CTRL já executaram 34 bilhões de circuitos no Nighthawk r2, relatando ganhos de desempenho de até 19 vezes, ao mesmo tempo em que mantiveram a precisão exigida para a computação científica:

• Otimização de redes de energia: A E.ON registrou uma aceleração de 15 vezes no Nighthawk r2 em aplicações de aprendizado de máquina quântico voltadas à otimização de redes elétricas em comparação ao IBM Quantum Heron.
• Simulação de materiais magnéticos: A própria IBM utilizou o Nighthawk r2 para obter um ganho de velocidade de 12 vezes em relação ao processador Heron em um experimento conduzido com o Oak Ridge National Laboratory (ORNL), simulando materiais magnéticos reais com resultados consistentes com experimentos de espalhamento de nêutrons. Empresas como Quantum Elements e ParityQC também relataram avanços expressivos em suas cargas de trabalho na plataforma.
• Vantagem quântica ampliada: Os experimentos de vantagem quântica publicados em julho pela IBM e seus parceiros — com circuitos e resultados abertos para testes independentes no Quantum Advantage Tracker — foram expandidos do Heron para o Nighthawk r2. Um estudo em parceria com a Algorithmiq para simular um material quântico heterogêneo rodou circuitos 8 vezes mais rápido que no experimento original no Heron. Paralelamente, esses novos circuitos tornaram-se muito mais difíceis de simular em computadores convencionais, exigindo cerca de 240 vezes mais memória para atingir precisão equivalente pelos principais métodos clássicos de redes de tensores.

Nighthawk r3 e a escalabilidade modular rumo aos 1.040 qubits

Construído sobre a base de desempenho do r2, o Nighthawk r3 leva essa mesma arquitetura de alta velocidade para computadores quânticos de maior porte. O novo processador foi projetado para suportar 10.000 operações quânticas em 520 qubits programáveis, contando com um total de 2.034 qubits físicos. Ele preserva a conectividade em malha quadrada (square-lattice) e as operações rápidas do r2, mas introduz 10 interconexões chip a chip, chamadas de l-couplers, desenvolvidas para unir múltiplos processadores em sistemas maiores.

A IBM já validou duas tecnologias essenciais que viabilizam essa abordagem modular:

1. Transferência de estado quântico entre chips: Neste ano, a empresa conectou processadores Nighthawk r1 utilizando quatro l-couplers, alcançando 99,3% de fidelidade na transferência de estado quântico e avançando em direção à sua meta de 99,9%.
2. Conexão criogênica dupla: Pela primeira vez, a companhia interligou dois módulos criogênicos em um único sistema, atingindo a temperatura operacional em menos de cinco dias com resfriamento abaixo de 15 milikelvins.

Com esses avanços em modularidade, o plano da IBM para 2027 consiste em conectar dois processadores Nighthawk r3 para formar um sistema único de 1.040 qubits programáveis, ampliando a capacidade da arquitetura para simulações e cálculos ainda mais exigentes.

Integração entre computação quântica e supercomputação clássica com AMD

O avanço dos computadores quânticos exige uma cooperação cada vez mais estreita com a computação clássica para lidar com erros, combinando correção e mitigação de erros quânticos com aprendizado de ruído e pós-processamento. Para unificar esses dois mundos, a IBM Quantum Platform passou a reunir computação clássica de alto desempenho (HPC) e computação quântica em um único ambiente gerenciado, permitindo integrar fluxos de trabalho quânticos desde laptops até supercomputadores.

Os resultados práticos dessa integração já aparecem em pesquisas de ponta:

• IBM e RIKEN: Cientistas das duas instituições executaram seu fluxo de trabalho original de diagonalização quântica baseada em amostras (SQD) cerca de 5 vezes mais rápido, realizando simultaneamente 100 vezes mais cálculos do que no estudo original.
• Cleveland Clinic e RIKEN: Utilizando o novo ambiente, pesquisadores processaram automaticamente 608 milhões de amostras para modelar estruturas biologicamente relevantes, alcançando uma velocidade 33 vezes superior em comparação ao processo sem automação de fluxo de trabalho.

A plataforma também oferece controle em nível de pulso (pulse-level), dando aos pesquisadores precisão para detectar, compreender e corrigir erros tanto na arquitetura quântica quanto na clássica, ajustando o tempo das operações, reinicializando qubits mais rapidamente e extraindo mais informações das medições.

Recentemente, a IBM também lançou uma nova plataforma de codesign voltada à correção de erros quânticos em parceria com o Oak Ridge National Laboratory e a AMD. A iniciativa posiciona fisicamente o processador Nighthawk ao lado do sistema de supercomputação Umbra HPC do laboratório norte-americano, que é equipado com placas gráficas AMD Instinct MI355X e processadores AMD EPYC de 5ª geração.