Desenvolvimento de vacinas e medicamentos, inteligência artificial, transporte e logística, ciência climática — todas essas são áreas que podem ser transformadas pelo desenvolvimento de um computador quântico em larga escala. E houve um crescimento explosivo no investimento em computação quântica na última década.
No entanto, os processadores quânticos atuais são relativamente pequenos em escala, com menos de 100 qubits— os blocos básicos de construção de um computador quântico. Bits são a menor unidade de informação em computação, e o termo qubits provém de "bits quânticos".
Embora os primeiros processadores quânticos tenham sido cruciais para demonstrar o potencial da computação quântica, perceber aplicações globalmente significativas provavelmente exigirá processadores com mais de um milhão de qubits.
Nossa nova pesquisa aborda um problema central no coração da expansão dos computadores quânticos: como vamos de controlar apenas alguns qubits, para controlar milhões? Em pesquisa publicada hoje na Science Advances,revelamos uma nova tecnologia que pode oferecer uma solução.
O que exatamente é um computador quântico?
Computadores quânticos usam qubits para conter e processar informações quânticas. Ao contrário dos bits de informação em computadores clássicos, os qubits fazem uso das propriedades quânticas da natureza, conhecidas como "superposição" e "emaranhamento", para realizar alguns cálculos muito mais rápido do que seus homólogos clássicos.
Ao contrário de um bit clássico, que é representado por 0 ou 1, um qubit pode existir em dois estados (ou seja, 0 e 1) ao mesmo tempo. Isto é o que chamamos de estado de superposição.
Demonstrações do Google e outros mostraram que mesmo computadores quânticos atuais em estágio inicial podem superar os supercomputadores mais poderosos do planeta para uma tarefa altamente especializada (embora não particularmente útil) — alcançando um marco que chamamos de supremacia quântica.
O computador quântico do Google, construído a partir de circuitos elétricos supercondutores, tinha apenas 53 qubits e foi resfriado a uma temperatura próxima de -273°C em uma geladeira de alta tecnologia. Esta temperatura extrema é necessária para remover o calor, que pode introduzir erros nos qubits frágeis. Embora tais demonstrações sejam importantes, o desafio agora é construir processadores quânticos com muito mais qubits.
Grandes esforços estão em andamento na UNSW Sydney para fazer computadores quânticos a partir do mesmo material usado em chips de computador cotidianos: silício. Um chip de silício convencional é do tamanho de miniaturas e embala em vários bilhões de bits, então a perspectiva de usar essa tecnologia para construir um computador quântico é convincente.
O Problema de Controle
Nos processadores quânticos de silício, as informações são armazenadas em elétrons individuais, que estão presos sob pequenos eletrodos na superfície do chip. Especificamente, o qubit é codificado no girodo elétron. Pode ser retratado como uma pequena bússola dentro do elétron. A agulha da bússola pode apontar para norte ou sul, o que representa os estados 0 e 1.
Para definir um qubit em um estado de superposição (0 e 1), uma operação que ocorre em todas as computação quântica, um sinal de controle deve ser direcionado para o qubit desejado. Para qubits em silício, este sinal de controle é na forma de um campo de micro-ondas, assim como os usados para transportar chamadas telefônicas através de uma rede 5G. Os micro-ondas interagem com o elétron e fazem com que seu giro (agulha de bússola) gire.
Atualmente, cada qubit requer seu próprio campo de controle de micro-ondas. Ele é entregue ao chip quântico através de um cabo que vai da temperatura ambiente até o fundo da geladeira a quase -273 graus Celsius. Cada cabo traz calor com ele, que deve ser removido antes de chegar ao processador quântico.
Com cerca de 50 qubits, o que é de última geração hoje, isso é difícil, mas gerenciável. A tecnologia atual do refrigerador pode lidar com a carga de calor do cabo. No entanto, representa um grande obstáculo se quisermos usar sistemas com um milhão de qubits ou mais.
A solução é o controle 'global'
Uma solução elegante para o desafio de como fornecer sinais de controle para milhões de qubits de spin foi proposta no final da década de 1990. A ideia de "controle global" era simples: transmitir um único campo de controle de micro-ondas em todo o processador quântico.
Pulsos de tensão podem ser aplicados localmente a eletrodos de qubit para fazer com que os qubits individuais interajam com o campo global (e produzam estados de superposição).
É muito mais fácil gerar pulsos de tensão no chip do que gerar vários campos de micro-ondas. A solução requer apenas um único cabo de controle e remove circuitos de controle de micro-ondas on-chip obtrusivos.
Por mais de duas décadas, o controle global em computadores quânticos permaneceu uma ideia. Os pesquisadores não puderam criar uma tecnologia adequada que pudesse ser integrada com um chip quântico e gerar campos de micro-ondas em potências adequadamente baixas.
Em nosso trabalho, mostramos que um componente conhecido como ressonador dielétrico poderia finalmente permitir isso. O ressonador dielétrico é um cristal pequeno e transparente que prende micro-ondas por um curto período de tempo.
A captura de micro-ondas, um fenômeno conhecido como ressonância, permite que eles interajam com os qubits de giro por mais tempo e reduz consideravelmente o poder dos micro-ondas necessários para gerar o campo de controle. Isso era vital para operar a tecnologia dentro da geladeira.
Em nosso experimento, usamos o ressonador dielétrico para gerar um campo de controle sobre uma área que poderia conter até quatro milhões de qubits. O chip quântico usado nesta demonstração era um dispositivo com dois qubits. Fomos capazes de mostrar que os micro-ondas produzidos pelo cristal poderiam mudar o estado de rotação de cada um.
O caminho para um computador quântico em larga escala
Ainda há trabalho a ser feito antes que essa tecnologia se esvaa a tarefa de controlar um milhão de qubits. Para nosso estudo, conseguimos inverter o estado dos qubits, mas ainda não produzimos estados de superposição arbitrária.
Experimentos estão em andamento para demonstrar essa capacidade crítica. Também precisaremos estudar melhor o impacto do ressonador dielétrico em outros aspectos do processador quântico.
Dito isto, acreditamos que esses desafios de engenharia serão, em última análise, superáveis, eliminando um dos maiores obstáculos para a realização de um computador quântico baseado em spin em larga escala.
Este artigo é republicado a partir de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
