Brasileiro cria novo design radical de computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Guilherme Tosi e Andrea Morello junto ao equipamento usado para resfriar os chips quânticos até próximo do zero absoluto. [Imagem: Quentin Jones/UNSW]

Design brilhante

Um pesquisador brasileiro, atualmente trabalhando na Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, inventou uma nova arquitetura radical para a computação quântica.

A inovação permite a fabricação de processadores quânticos em larga escala de forma muito mais barata - e mais fácil - do que se pensava ser possível.

O brasileiro Guilherme Tosi e seus colegas explicam que a nova arquitetura permite que um processador quântico de silício seja fabricado sem a complicada e tediosa colocação precisa dos átomos que funcionam como bits quânticos, como acontece nas abordagens tentadas até agora.

Em vez disso, os qubits podem ser colocados a centenas de nanômetros de distância uns dos outros e, ainda assim, permanecerem acoplados uns aos outros pelo fenômeno quântico do entrelaçamento (ou emaranhamento). Isso não apenas é mais fácil em termos de engenharia de produção, como também deixa o espaço necessário para a colocação dos eletrodos e dos demais componentes sem interferir com o frágil estado dos qubits.

"É um design brilhante, e como muitos desses avanços conceituais, é incrível que ninguém tenha pensado nisso antes. O que Guilherme e a equipe inventaram é uma nova maneira de definir um qubit de spin, que usa tanto o elétron quanto o núcleo do átomo. Fundamentalmente, este novo qubit pode ser controlado usando sinais elétricos, em vez de magnéticos. Os sinais elétricos são significativamente mais fáceis de distribuir e localizar dentro de um chip eletrônico," disse o professor Andrea Morello, coordenador da equipe.

A grande vantagem da nova arquitetura é que os bits podem ficar distantes uns dos outros e ainda manter o entrelaçamento. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Melhor que qubits do Google e IBM

O novo conceito de processador quântico evita um problema que todos os qubits de silício baseados no spin - uma propriedade magnética das partículas subatômicas - se deparam quando se tenta construir matrizes com um número significativo de qubits: a necessidade de espaçá-los a uma distância correspondente ao diâmetro de apenas 50 átomos - algo entre 10 a 20 nanômetros.

"Se eles ficam muito próximos ou muito distantes, o 'emaranhamento' entre os bits quânticos - que torna os computadores quânticos tão especiais - não ocorre," explicou Tosi, que se formou em física na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), em Belo Horizonte.

Ele então foi trabalhar na equipe do professor Morello, cuja equipe vinha trabalhando há tempos na construção de qubits de silício, incluindo um leitor de elétrons individuais, para ler os dados, e um bit quântico revestido, capaz de guardar os dados 10 vezes melhor do que seus antecessores.

"Mas se quisermos fazer uma série de milhares ou milhões de qubits tão próximos, isso significa que todas as linhas de controle e os dispositivos de leitura também devem ser fabricados nessa escala nanométrica e com essa densidade de eletrodos. Este novo conceito sugere um outro caminho," detalha Tosi.

No outro extremo do espectro estão os circuitos quânticos supercondutores, adotados, por exemplo, pela IBM e pelo Google. Esses sistemas são grandes e fáceis de fabricar, e atualmente lideram a corrida da computação quântica em termos do número de qubits que podem ser manipulados - quanto mais qubits, maior o poder de processamento do computador. No entanto, devido justamente às suas dimensões maiores, a longo prazo essa abordagem fatalmente terá problemas ao tentar reunir e operar milhões de qubits, necessários para rodar os algoritmos quânticos mais importantes.

A nova abordagem baseada em silício criada por Tosi fica bem no ponto ideal entre a dificuldade de colocar qubits na distância precisa e o risco de começar com circuitos grandes demais.

"Ela é mais fácil de fabricar do que dispositivos de escala atômica, mas ainda nos permite colocar um milhão de qubits em um milímetro quadrado," disse o professor Morello.

Cada qubit é manipulado magneticamente pelos eletrodos colocados na parte de cima do chip. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Qubit flip-flop

No qubit de átomo único usado pela equipe de Morello e ao qual o novo design de Tosi se aplica, um chip de silício é coberto com uma camada de óxido de silício isolante, em cima do qual repousa um padrão de eletrodos metálicos que operam em temperaturas próximas do zero absoluto e na presença de um campo magnético muito forte.

O núcleo do qubit é um átomo de fósforo, que detém o recorde mundial de tempo de coerência - o tempo que a memória quântica consegue guardar o dado.

A descoberta conceitual de Tosi envolve a criação de um tipo completamente novo de qubit usando o núcleo e o elétron do átomo de fósforo. O estado '0' é definido como o spin do elétron estando para baixo e o spin do núcleo para cima, enquanto o estado '1' é definido como o spin do elétron estando para cima e o spin nuclear para baixo.

"Nós o chamamos qubit flip-flop," disse Tosi. "Para operar este qubit, você precisa afastar um pouco o elétron do núcleo, usando os eletrodos na parte superior. Ao fazer isto, você também cria um dipolo elétrico." - flip-flop, ou multivibrador biestável, é o nome de um circuito lógico que oscila constantemente entre um estado estável e um estado não-estável, permitindo seu uso como uma memória.

"Este é o ponto crucial," acrescenta Morello. "Esses dipolos elétricos interagem uns com os outros em distâncias muito grandes, uma boa fração de um micrômetro, ou 1.000 nanômetros. Isso significa que agora podemos colocar os qubits atômicos muito mais separados do que se pensava que fosse possível. Portanto, temos espaço suficiente para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, eletrodos de controle e dispositivos de leitura, mantendo a natureza precisa do bit quântico atômico".

Arquitetura do processador quântico multibits que a equipe pretende construir agora. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Processador quântico de 10 qubits

O professor Morello classificou o conceito criado por Guilherme Tosi tão significativo quanto o artigo seminal do físico Bruce Kane que, em 1998, publicou um artigo na revista Nature demonstrando uma nova arquitetura que possibilitaria construir um computador quântico baseado em silício, desencadeando a corrida mundial para a construção desses computadores futurísticos.

"Como o artigo de Kane, esta é uma teoria, uma proposta - o qubit ainda tem que ser construído," disse Morello. "Nós temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é totalmente possível, então estamos trabalhando para demonstrar isso completamente. Mas acho que isso é tão visionário quanto o artigo original de Kane".

A equipe da universidade fechou um acordo de US$67 milhões com a empresa de telecomunicações Telstra, o Commonwealth Bank e os governos da Austrália e do estado de Nova Gales do Sul para desenvolver, até 2022, um protótipo de um circuito integrado quântico de silício de 10 qubits.

A construção de um computador quântico vem sendo chamada de corrida espacial do século 21 - um desafio difícil e ambicioso com o potencial de fornecer ferramentas revolucionárias para abordar cálculos antes impossíveis, com uma infinidade de aplicações úteis na saúde, finanças, química, desenvolvimento de materiais, depuração de software, indústria aeroespacial e transporte.

Bibliografia:

Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings
Guilherme Tosi, Fahd A. Mohiyaddin, Vivien Schmitt, Stefanie Tenberg, Rajib Rahman, Gerhard Klimeck, Andrea Morello
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 450
DOI: 10.1038/s41467-017-00378-x