Protegendo cadeias de suprimentos com computação quântica: a técnica

Novas pesquisas em computação quântica nos Laboratórios Nacionais Sandia estão aproximando a ciência de superar os desafios da cadeia de suprimentos e restaurar a segurança global durante períodos futuros de agitação.

“Reconfigurar a cadeia de suprimentos em curto prazo é um problema de otimização excepcionalmente difícil, que restringe a agilidade do comércio global”, disse Alicia Magann, Truman Fellow da Sandia. Ela liderou o desenvolvimento de uma nova maneira de projetar programas em computadores quânticos, que ela e sua equipe acham que podem ser especialmente úteis para resolver esses tipos de problemas de otimização em massa algum dia no futuro, quando a tecnologia quântica se tornar mais madura.

A equipe Sandia publicou recentemente a nova abordagem em dois artigos conjuntos nas revistas Cartas de revisão física e Revisão Física A. A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia, Escritório de Pesquisa de Computação Científica Avançada; o DOE Computational Science Graduate Fellowship; e o programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Sandia.

Algoritmos de otimização ajudam a indústria a executar tarefas como coordenar rotas de caminhões ou gerenciar ativos financeiros. Esses problemas são geralmente difíceis de resolver, disse Magann, e à medida que o número de variáveis ​​aumenta, encontrar boas soluções se torna mais difícil.

Uma das possíveis soluções de longo prazo para resolver problemas complexos de otimização é usar computadores quânticos, uma tecnologia emergente que os especialistas acreditam ser capaz de encontrar respostas para alguns problemas muito mais rapidamente do que os supercomputadores.

Mas construir tecnologia de computação quântica é apenas um dos desafios.

“Há também essa outra questão: aqui está um computador quântico – como eu realmente programo isso? Como eu o uso?” disse Magann.

Soluções melhores necessárias para aplicações de grande escala

Pesquisadores de todo o mundo estão desenvolvendo ativamente algoritmos para otimizações em larga escala em tecnologias futuras, com a esperança de que esses programas possam ajudar as indústrias a gerenciar recursos limitados de forma mais eficaz e dinamizar operações mais rapidamente diante de rápidas mudanças no mercado de trabalho, suprimentos de matérias-primas materiais ou outra logística.

Mohan Sarovar, o principal investigador do projeto, disse: “É muito difícil criar algoritmos quânticos. Uma das grandes razões para isso, além de a computação quântica ser muito pouco intuitiva, é que temos muito poucas estruturas gerais para o desenvolvimento quântico algoritmos”.

Uma ideia importante para a programação de algoritmos de otimização quântica envolveu o acoplamento de computadores quânticos e convencionais para resolver um problema juntos, chamado de abordagem variacional. O computador convencional realiza uma otimização das configurações de controle que ditam o comportamento do computador quântico.

Um problema com essa abordagem é que seu impacto é limitado pela capacidade do computador convencional de resolver problemas de otimização com um grande número de parâmetros.

O cientista de Sandia, Kenneth Rudinger, que também trabalhou no projeto, disse que a abordagem variacional pode não ser prática quando os computadores quânticos finalmente se tornarem capazes de cumprir sua promessa.

“Temos boas razões para acreditar que o tamanho dos tipos de problemas que você gostaria de resolver é muito grande para a abordagem variacional; nessa escala, torna-se essencialmente impossível para o computador convencional encontrar boas configurações para o dispositivo quântico”, disse ele. disse.

Nova estrutura para resolver problemas complexos

A equipe Sandia conseguiu reduzir bastante o papel da computação clássica. Com a nova estrutura, chamada FALQON – abreviação de Algoritmo baseado em feedback para otimização quântica – o computador clássico não faz nenhuma otimização. Ele só precisa do poder computacional de uma calculadora, deixando o computador quântico fazer todo o trabalho pesado e, teoricamente, permitindo que ele trabalhe em problemas muito mais complicados, como como redirecionar com eficiência uma frota de navios quando um grande porto fecha repentinamente.

Uma estrutura, neste caso, significa uma estrutura de como escrever um algoritmo. O conceito central de Sandia é que um computador quântico adapte repetidamente sua estrutura à medida que se move através de um cálculo. Camadas de portas de computação quântica, os blocos de construção de algoritmos quânticos, são determinadas por medições da saída de camadas anteriores por meio de um processo de feedback.

“Depois de executar a primeira camada do algoritmo, eu meço os qubits e obtenho algumas informações deles”, disse Magann. “Eu alimento essas informações de volta ao meu algoritmo e as uso para definir a segunda camada. Em seguida, executo a segunda camada, meço os qubits novamente, alimento essas informações de volta para a terceira camada e assim por diante.”

Sarovar disse: “Ele define outra classe de algoritmos quânticos que operam por meio de feedback”.

Até que os computadores quânticos se tornem mais poderosos, a estrutura é em grande parte uma ferramenta teórica que só pode ser testada em problemas que os computadores clássicos já podem resolver. No entanto, a equipe acredita que a estrutura mostra grande potencial para formular algoritmos úteis para os computadores quânticos de média a grande escala do futuro. Eles estão ansiosos para ver se isso pode ajudar a desenvolver algoritmos de computação quântica para resolver problemas em química, física e aprendizado de máquina.

O Sandia National Laboratories é um laboratório multimissão operado pela National Technology and Engineering Solutions da Sandia LLC, uma subsidiária integral da Honeywell International Inc., para a Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Sandia Labs tem grandes responsabilidades de pesquisa e desenvolvimento em dissuasão nuclear, segurança global, defesa, tecnologias de energia e competitividade econômica, com instalações principais em Albuquerque, Novo México e Livermore, Califórnia.