O que são transmissores de detecção coerente?

A tecnologia de “detecção coerente” foi desenvolvida para ampliar ainda mais a velocidade de transmissão nas redes de fibra óptica. Ela permite que a capacidade de banda em cada feixe de luz seja multiplicada.

Hermano Albuquerque, diretor geral LATAM para o Grupo Halo/Skylane

  Como sabemos, o mundo moderno das telecomunicações digitais utiliza números binários na transmissão dos dados. Isso significa simplesmente que esses dados são codificados como uma grande sequência de O’s ou 1’s que, combinados, representam as informações que queremos transmitir. Por exemplo, podemos dizer que a sequência 1001 representa a letra “A”, enquanto a sequência 0111 representa a letra “R”. Esse tipo de codificação vem sendo utilizado há décadas por todos os sistemas de transmissão digital. Essa unidade de informação no mundo digital, 0 ou 1 é o que chamamos de “bit”.

  É fácil imaginar que a eficiência no mundo das telecomunicações está diretamente relacionada com a capacidade de transmitir milhões ou bilhões de bits no menor tempo possível. Por isso, sempre avaliamos a eficiência e qualidade das redes por sua capacidade de transmissão em Gpbs ou bilhões de bits por segundo (Giga = bilhões).

  Nos sistemas de transmissão por fibra óptica não poderia ser diferente. Como a transmissão é feita por um sinal de luz (sinal óptico), precisamos de uma forma para representar os bits. Obviamente, a forma mais simples de representar um bit 0 ou 1 é utilizar pulsos de luz transmitidos por um laser, dispositivo muito comum nos transceptores ópticos. Por exemplo, a ausência de luz (laser desligado) pode representar um bit 0 e a presença de luz representar um bit 1. No mundo da fibra óptica, essa forma de detectar um bit 0 ou 1, pela simples ausência ou presença do pulso de luz, é chamada de “detecção direta”. A imagem abaixo exemplifica como funciona esse método de transmissão.

  A “detecção direta” se tornou muito popular e, por esse motivo, muitos transceptores ópticos do mercado utilizam esse método de transmissão e recepção. Porém, quanto maior a velocidade de transmissão que queremos obter, mais rapidamente precisamos transmitir pulsos de luz que se acendem e se apagam bilhões de vezes a cada segundo, um feito certamente impressionante mesmo para a eletrônica mais avançada.

  Com a detecção direta, a capacidade de transmissão depende da distância que se quer atingir, sendo possível transmitir 25 Gbps a até 15 km, 10 Gbps a 100 Km e 56 Gbps a 1 Km.

  Vamos lembrar que na vida real, a luz é uma onda de energia “eletromagnética”. Esse termo significa apenas que a luz é, na verdade, formada por duas ondas de energia, sendo uma elétrica e outra magnética (por isso, o termo “eletromagnético”). A ilustração abaixo representa o que ocorre, na prática, na detecção direta.

  Ao longo do tempo, novas tecnologias foram desenvolvidas com o objetivo de ampliar a capacidade de transmissão nas redes de fibra óptica, como por exemplo o DWDM, que permite que múltiplos sinais de luz sejam transmitidos em uma única fibra, cada sinal em um diferente comprimento de onda. Assim, foi possível ampliar o número de “canais” transmitidos em uma mesma fibra, embora, nesse caso, cada canal manteve sua capacidade de transmissão original.

  No DWDM, somamos a taxa de transmissão de todos os canais para determinar a capacidade total de transmissão na fibra utilizada. Então, ao se implementar 10 canais DWDM em uma rede de fibra óptica, na prática estamos multiplicando por 10 a capacidade de transmissão de tal rede. O DWDM tem sido um dos principais métodos na ampliação de banda principalmente nas redes de longa distância e tem se tornado um aliado importantíssimo na rápida ampliação da infraestrutura em todo o mundo.

  Porém, para ampliar ainda mais a velocidade de transmissão nas redes de fibra óptica, foi desenvolvida a tecnologia de “detecção coerente”, que permite que a capacidade de banda em cada feixe de luz seja multiplicada. Ou seja, além de ser possível transmitir vários feixes de luz (diferentes comprimentos de onda) em uma única fibra com o uso do DWDM, agora também é possível aumentar a capacidade de transmissão em cada canal ou em cada comprimento de onda.

  Para fazermos isso é necessário utilizar outro método de transmitir as informações, modificando as características da onda de luz e determinando como devemos detectar os dados no lado do receptor. Como já mencionamos, o sinal de luz é uma onda de energia, portanto, podemos utilizar três atributos dessa onda: amplitude, fase e polarização.

 

Amplitude

 

  A amplitude nada mais é do que a “altura” da onda. Esse nível é medido desde a base da onda (ponto zero) até o pico máximo. Podemos utilizar diferentes alturas para representar diferentes bits. Por exemplo, uma onda de baixa amplitude pode representar dois bits “00”, uma onda de média amplitude pode representar dois bits “01” e uma onda de grande amplitue pode representar dois bits “11”. Assim, conseguimos transmitir mais bits apenas mudando a amplitude (altura) da onda.

 

Fase

 

  De uma forma simples, a fase da onda representa o ponto em que a onda se encontra no momento exato em que a recebemos ou quando a medimos no receptor. Se no momento que medimos o sinal de luz, a onda está no nível mais baixo, dizemos que a fase é 0^o (zero grau). Se no momento que medimos o sinal, a onda está no nível mais alto (pico), dizemos que a fase é 90º (noventa graus).

  Se, no lado do receptor, recebemos a onda de luz em pontos (fases) diferentes, podemos também definir que cada um desses diferentes pontos representa diferentes conjuntos de bits. Assim, também aumentamos a nossa capacidade de transmitir as informações. Uma onda na “Fase 0^o” pode representar um determinado conjunto de bits e a onda na “Fase 90^o” pode representar outro conjunto de bits.

 

 

Polarização

 

  Se você observar, a luz é composta de duas ondas, sendo uma onda elétrica e a outra magnética (por isso o termo “eletromagnética”, conforme mencionamos). Essas duas ondas são mostradas na ilustração acima como as duas ondas em roxo e verde. A polarização determina como essas duas ondas estão posicionadas ou qual das duas ondas está na horizontal ou na vertical. Ao reposicionar a inclinação de cada onda, elétrica ou magnética, estamos modificando a “polarização” da onda de luz. Assim, podemos dizer que uma onda polarizada na horizontal representa bits “01” enquanto uma onda polarizada na vertical representa bits “11”, apenas como exemplo. Existem 4 tipos de polarizações diferentes, o que aumenta o número de bits que podemos transmitir.

  No fim, a combinação desses três atributos da onda de luz (amplitude, fase e polarização) fornece uma ferramenta poderosa para multiplicar nossa capacidade de transmitir mais informações em menor tempo. Essa técnica é o que chamamos de “detecção coerente” e a ilustração abaixo apresenta um comparativo resumido entre a detecção direta e a detecção coerente. Observe que na detecção coerente é possível transmitir um número muito maior de bits para o mesmo período de tempo.

  A tecnologia de detecção coerente somente foi possível em função do enorme progresso na ciência dos materiais e principalmente no desenvolvimento de novos chips para processamento digital de sinais, os chamados DSPs – Digital Signal Processors. Tal tecnologia já atingiu plenamente o mercado de transceptores ópticos trazendo um imenso benefício para os operadores e proporcionando um imenso ganho de escala nos negócios. Com o uso da detecção coerente, atualmente, é possível atingir taxas de 400 Gbps a até 100 Km ou mais em uma única fibra e já estamos antecipando a chegada, em breve, de soluções que podem alcançar até 800 Gbps.

  No entanto, a detecção coerente exige maior capacidade de processamento dos chips e, consequentemente, aumenta a energia consumida pelo sistema. Portanto, ainda mais nesse caso, a escolha por transceptores ópticos de altíssima qualidade se faz extremamente importante. Transceptores de baixa qualidade podem facilmente superaquecer e provocar degradação na qualidade da transmissão. Infelizmente, em muitos casos, tais características não são percebidas em um teste simples de 10 minutos. A degradação da transmissão com produtos de baixa qualidade pode ocorrer ao longo do tempo, à medida em que o aquecimento gradual dos componentes eletrônicos afeta o desempenho do sistema. Por isso, para preservar seu investimento, procure produtos comprovados, com certificação internacional, referências comprovadas e garantia de qualidade e suporte.

O futuro da computação quântica

O artigo apresenta os principais desenvolvimentos recentes para ajudar a resolver problemas complexos da computação quântica. Mas, mesmo com os avanços, ela continuará trabalhando em conjunto com a computação clássica.

Kaladhar Voruganti e David Hall, da Equinix

  Houve avanços significativos na computação quântica nos últimos anos para alinhá-la aos problemas atuais. Neste artigo, trazemos uma atualização sobre os principais desenvolvimentos recentes para ajudar a resolver problemas complexos. Mesmo com esses avanços, ela continuará trabalhando em conjunto com a computação clássica para realizar a maioria dos trabalhos.

O que é computação quântica?

 

  Em um computador clássico, switches operados eletronicamente, chamados transistores, são usados para representar os números 0 e 1 que representam “bits” individuais. A partir desses componentes básicos, os cientistas da computação demonstraram que é possível realizar uma grande variedade de abordagens computacionais para resolver problemas.

  Embora os engenheiros tenham assegurado que os transistores ficaram menores e mais numerosos, ampliando o tipo de problemas que os cientistas da computação podem resolver, a tecnologia não é muito diferente dos dispositivos anteriores aos transistores das décadas de 1930 e 1940 baseados em válvulas ou tubos.

  Em um computador quântico, os transistores são substituídos por dispositivos que representam bits quânticos ou “qubits”, que são capazes de representar um 0 e um 1 ao mesmo tempo. Isso por si só não é muito útil, a menos que faça parte de um processador quântico capaz de lidar com uma quantidade maior de qubits. Em um computador clássico, as CPUs modernas exigem bilhões de transistores para executar sistemas operacionais e aplicações modernas. Em um computador quântico, cada estado é representado simultaneamente, e é possível resolver problemas computacionais de alta complexidade usando apenas 100 qubits. Alguns desses problemas demorariam infinitamente mais tempo para uma CPU clássica moderna resolver.

  Tomemos como exemplo o problema do vendedor que transita entre cidades. Na computação clássica, seria preciso uma quantidade muito grande de bits para representar todas as cidades em que esse vendedor atua, e com muita rapidez. Se o comerciante precisasse visitar mais cidades, seria necessário muitos mais bits para representá-las. No entanto, na computação quântica, uma vez que uma série de qubits estão emaranhados, eles podem representar simultaneamente dois estados de uma só vez (onde n representa o número de qubits emaranhados), mais opções de soluções alternativas podem ser representadas simultaneamente de forma mais eficiente e processadas em paralelo muito mais rapidamente.

 

Por que computação quântica?

 

  A promessa da computação quântica é que ela nos ajudará a enfrentar determinados tipos de problemas que os computadores clássicos de hoje não podem resolver em um período de tempo razoável. É importante observar que a computação quântica não é uma panaceia para todos os tipos de problemas de computação, mas é boa para grande parte das pesquisas do tipo “agulha no palheiro”. Por exemplo, se você quisesse encontrar um item em uma lista de um trilhão e cada item levasse um microssegundo para ser verificado, um computador clássico o faria em uma semana, mas um computador quântico levaria um segundo.

  Aplicações reais da computação quântica incluem:

• Descobrir a rota ideal que um vendedor deve seguir para ir a várias cidades e economizar tempo e custos de combustível.

• Simular reações químicas para criar baterias melhores para carros elétricos.

• Na área de criptografia, para quebrar ou criar códigos de segurança.

• Encontrar eventos de Higgs (um dos campos da teoria da física de partículas) e a origem do universo.

• Permitir que as empresas financeiras analisem melhor os seus dados para determinar fraudes ou equilibrar as suas carteiras de investimentos.

  Muito do interesse inicial na computação quântica também pode ser atribuído ao fato de que os computadores quânticos, que são potentes o suficiente, podem ser usados para quebrar determinados tipos de códigos de criptografia. Isso pode afetar a segurança de celulares, contas bancárias, endereços de e-mail e carteiras de criptomoedas. Como resultado, as organizações, no devido tempo, terão que modificar algumas de suas soluções existentes para a era da computação quântica.

 

O desafio para a computação quântica

 

  Um dos maiores problemas enfrentados pelos computadores quânticos hoje é que os qubits emaranhados começam a perder coerência em relação a outros qubits. Portanto, um algoritmo precisa fazer o seu trabalho rapidamente antes que isso aconteça.

  Atualmente, a maioria dos computadores quânticos só pode manter algumas dezenas de qubits coerentes. Um estudo recente mostrou que os raios cósmicos podem introduzir uma explosão de erros de perda de coerência que são difíceis de corrigir usando técnicas padrão de correção. Isso contribui para a nossa incapacidade de representar problemas significativos da vida real em um computador quântico.

  Além disso, não há uniformidade nos hardwares de computação quântica subjacentes. Várias empresas estão buscando diferentes abordagens para a construção de um computador quântico. Isso é muito semelhante à forma como tivemos vários projetos de transistores nos primórdios da computação. Como resultado, só é possível que determinados problemas sejam mapeados de maneira eficiente em tipos específicos de hardware de computação quântica subjacente. A pesquisa para resolver o problema da decoerência e projetar computadores quânticos para uso geral está em andamento e ainda estamos a cerca de cinco anos de resolver problemas significativos em um computador quântico. Enquanto isso, antecipamos a implantação de computadores quânticos e clássicos de forma híbrida para fornecer eficiências computacionais.

 

Como os computadores quânticos estão sendo implantados

 

  A promessa da computação quântica é que ela nos ajudará a enfrentar determinados tipos de problemas que os computadores clássicos de hoje não podem resolver em um período de tempo razoável.

  Computadores quânticos exigem hardware personalizado. Hoje, apenas os grandes hyperscalers e poucas empresas de hardware fornecem emuladores para computadores quânticos, bem como equipamentos de tamanho limitado, como um serviço em cloud. Atualmente, os computadores quânticos estão sendo direcionados para problemas que exigem muita computação e não são sensíveis à latência. Além disso, as atuais arquiteturas de computadores quânticos não estão maduras o suficiente no que diz respeito ao manuseio de grandes tamanhos de dados. Como resultado, em muitos casos, um computador quântico é normalmente implantado juntamente com um clássico de forma híbrida. Embora um computador quântico em si não consuma muita energia durante a computação, ele requer refrigeradores criogênicos especializados para manter baixas temperaturas supercondutoras.

  As previsões atuais mostram que haverá custos fixos de resfriamento com pouco custo de energia incremental à medida que a quantidade de qubits aumenta até determinado limite. No entanto, serão necessários muitos desses refrigeradores para suportar computadores que fornecem milhões de qubits. Os refrigeradores criogênicos atuais consomem cerca de 24 kW por unidade por aproximadamente 1.000 qubits. Esse orçamento de energia não inclui a energia para o computador clássico, armazenamento e hardware de rede em torno de um computador quântico.

 

Pilhas de software quântico e de rede

 

  Muitas pilhas de software estão sendo propostas para a computação quântica que consistem em virtualizar o hardware de computação quântica físico subjacente e construir uma camada virtual de qubits lógicos. Além disso, as pilhas de software fornecem compiladores que convertem construções de linguagem de programação de nível superior em comandos de montagem de nível inferior que operam nos qubits lógicos.

  Os provedores de pilhas de software também desenvolvem modelos específicos em nível de aplicação que são específicos do domínio (por exemplo, problemas de otimização ou problemas específicos de aprendizagem de máquina) e que mapeiam o modelo de programação de computação quântica. O objetivo é ocultar a complexidade sem comprometer a performance geral ou a manobrabilidade do hardware de computação quântica subjacente.

  Com relação a uma pilha de redes nativas de computação quântica, o seu desenvolvimento ainda está nos estágios iniciais. Atualmente, dados e resultados de computação quântica precisam ser convertidos em uma forma que possa ser entendida por equipamentos de rede clássicos e, em seguida, convertidos novamente em um formato compreensível de computação quântica. Muitas pesquisas estão sendo realizadas na área de redes nativas de computação quântica, onde o emaranhamento de qubits pode ser alcançado em longas distâncias.

 

Preparando a computação quântica para comercialização

 

  Muitas grandes empresas de computadores estão investindo bilhões de dólares na construção de computadores quânticos. Da mesma forma, instituições acadêmicas também investem dinheiro e capacidade intelectual nessa área. A geração atual de computadores quânticos precisa ser gerenciada por especialistas devido aos seus requisitos especializados de hardware e resfriamento. Como resultado, em um futuro próximo, a funcionalidade de computação quântica será oferecida principalmente como um serviço em cloud.

  No entanto, haverá clientes que vão querer implantar os seus dados e hospedar a parte clássica de computação e armazenamento de sua arquitetura geral em seus próprios data centers privados ou em um colocation, principalmente por razões de privacidade e controle, e esses clientes gostariam de aproveitar a funcionalidade de computação quântica em um provedor de serviços.

  Em conclusão, estamos nos estágios iniciais da era dos computadores quânticos híbridos, onde os computadores clássicos descarregam determinados tipos de processamento em equipamentos quânticos com número limitado de qubits. Acreditamos que essa será a norma para a computação quântica pelos próximos cinco anos, antes que computadores quânticos nativos não híbridos, contendo milhares de qubits, comecem a resolver problemas da vida real.

0 ou 1? Computação quântica

Mario Pires de Almeida Filho, especialista em redes de telecom

A computação quântica

 

  Pois bem, é com os mesmos princípios desvendados pelas física e mecânica quânticas que a computação quântica se baseia e evoluiu em trabalhos que aceleraram na década de 1960 e ainda mais a partir da década de 1980.

  Na computação quântica, a menor unidade de informação é qubit (quantum bits), que diferente do bit da computação tradicional, que assume apenas um valor por vez (0 ou 1), pode apresentar dois estados, 0 ou 1, simultaneamente.

  Na verdade uma composição ou superposição de 0 ou 1 com fatores de probabilidade distintos, que dependem da composição do sistema e mantém os dois estados, simultaneamente, até a hora da sua medição ou solução.

  Com isso, a dimensão da solução fica muito ampliada, pois a cada qubit adicionado ao sistema, a capacidade computacional dobra exponencialmente, diferente do computador tradicional que precisa aumentar a sua quantidade de transistores para ampliar a sua capacidade de processamento, esbarrando nos limites da Lei de Moore.

  O crescimento potencial, portanto, é de dois (pois são dois estados simultâneos) elevado ao número de qubits do sistema. Até recentemente, o número alcançado pelos sistemas de computação quântica existentes era de 2 elevado a 17, atualmente a IBM já possui sistemas capazes de processar 2 elevado a 50 quibits, simultaneamente, ou seja, são 2⁵⁰ soluções que podem ser alcançadas em apenas um ciclo computacional.

  Bom, o fato é que com a superposição e o emaranhamento de estados (interdependência de estados), a computação quântica é capaz de resolver cálculos e simulações de forma extraordinária, podendo até mesmo colocar em risco a segurança dos sistemas criptografados, já que uma das bases de uma quebra de segurança é a decomposição fatorial, coisa que um sistema quântico pode realizar em muito pouco tempo.

  Na verdade, a computação quântica também depende de uma evolução no desenvolvimento de sistemas que considerem novas formas de se codificar e escrever softwares.

  E aí chegamos ao ponto de hoje, em que podemos vislumbrar esta tecnologia mais próxima do mundo real, contribuindo com pesquisas e desenvolvimentos em diversas áreas como a química, medicina e biomedicina, sistemas financeiros, inteligência artificial e infinitas outras aplicações que são tão dependentes de cálculos complexos de forma rápida.

  Mas o que pega? Por que ainda não é uma realidade comercial, apesar de se aproximar desta condição?

  Isso se dá pela questão da estabilidade da informação. Algumas formas para se representar um qubit são a polarização de fótons ou orientação de elétrons, por exemplo, por si só partículas complicadas de se dominar. Para que isso ocorra, é necessário um resfriamento próximo de 0 grau Kelvin, o que explica o quão complexo e caro é a disponibilização de um sistema computacional quântico.

Mas com as evoluções recentes da tecnologia, principalmente nos últimos três anos e, notadamente, por parte da IBM em seu programa IBM-Q, nós, seres humanos comuns, já podemos explorar as capacidades da tecnologia, inclusive com sistemas disponibilizados na nuvem, kits de desenvolvimento, programas de aquisição de conhecimento, programas de parceria e muito mais, incluindo sistemas comerciais já em produção.

E é por isso que a computação quântica está ganhando visibilidade e destaque entre os temas emergentes mais quentes da atualidade, com o “grande barato” de ainda estar apenas começando uma verdadeira e profunda revolução, que vai afetar a vida de todos os seres deste planeta e quem sabe de outros.