Os engenheiros quânticos da UNSW Sydney removeram um grande obstáculo que impedia os computadores quânticos de se tornarem realidade. Eles descobriram uma nova técnica que dizem ser capaz de controlar milhões de qubits de spin – as unidades básicas de informação em um processador quântico de silício.
Até agora, engenheiros de computação quântica e cientistas trabalharam com um modelo de prova de conceito de processadores quânticos, demonstrando o controle de apenas alguns qubits.
Mas com sua última pesquisa, publicada na Science Advances, a equipe encontrou o que considera “a peça do quebra-cabeça que faltava” na arquitetura do computador quântico que deve permitir o controle dos milhões de qubits necessários para cálculos extraordinariamente complexos.
Dr. Jarryd Pla, um membro do corpo docente da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW, diz que sua equipe de pesquisa queria resolver o problema que havia confundido os cientistas da computação quântica por décadas – como controlar não apenas alguns, mas milhões de qubits sem ocupar um espaço valioso com mais fiação, que usa mais eletricidade e gera mais calor.
“Até este ponto, o controle dos qubits de spin do elétron dependia de nós fornecermos campos magnéticos de micro-ondas, colocando uma corrente através de um fio ao lado do qubit”, diz o Dr. Pla.
“Isso representa alguns desafios reais se quisermos aumentar para os milhões de qubits que um computador quântico precisará para resolver problemas globalmente significativos, como o projeto de novas vacinas.
“Em primeiro lugar, os campos magnéticos diminuem muito rapidamente com a distância, então só podemos controlar os qubits mais próximos do fio. Isso significa que precisaríamos adicionar mais e mais fios à medida que trouxéssemos mais e mais qubits, o que ocuparia muitos imóveis no chip.”
E como o chip deve operar em temperaturas extremamente baixas, abaixo de -270 ° C, Dr. Pla diz que a introdução de mais fios geraria muito calor no chip, interferindo na confiabilidade dos qubits.
“Portanto, voltamos a ser capazes de controlar apenas alguns qubits com essa técnica de arame”, diz o Dr. Pla.
A solução para este problema envolveu uma recriação completa da estrutura do chip de silício.
Em vez de ter milhares de fios de controle no mesmo chip de silício do tamanho de uma miniatura que também precisa conter milhões de qubits, a equipe examinou a viabilidade de gerar um campo magnético acima do chip que poderia manipular todos os qubits simultaneamente.
Essa ideia de controlar todos os qubits simultaneamente foi postulada pela primeira vez por cientistas da computação quântica na década de 1990, mas até agora, ninguém havia desenvolvido uma maneira prática de fazer isso, até agora.
“Primeiro removemos o fio próximo aos qubits e, em seguida, descobrimos uma nova maneira de fornecer campos de controle magnético de frequência de micro-ondas em todo o sistema. Portanto, em princípio, poderíamos fornecer campos de controle de até quatro milhões de qubits”, disse o Dr. . Pla.
O Dr. Pla e a equipe introduziram um novo componente diretamente acima do chip de silício – um prisma de cristal chamado ressonador dielétrico. Quando as microondas são direcionadas para o ressonador, ele concentra o comprimento de onda das microondas em um tamanho muito menor.
O ressonador dielétrico encolhe o comprimento de onda abaixo de um milímetro, então agora temos uma conversão muito eficiente de energia de microondas em campo magnético que controla os spins de todos os qubits.
“Existem duas inovações importantes aqui. A primeira é que não precisamos colocar muita energia para obter um campo de direção forte para os qubits, o que significa que não geramos muito calor. A segunda é que o campo é muito uniforme em todo o chip, de modo que milhões de qubits experimentam o mesmo nível de controle.”
Embora o Dr. Pla e sua equipe tenham desenvolvido o protótipo da tecnologia do ressonador, eles não tinham qubits de silício para testá-los. Então ele falou com seu colega de engenharia da UNSW, o professor da Cientia Andrew Dzurak, cuja equipe havia demonstrado na última década a primeira e mais precisa lógica quântica usando a mesma tecnologia de fabricação de silício usada para fazer chips convencionais de computador.
“Fiquei completamente maravilhado quando Jarryd me apresentou sua nova ideia”, diz o Prof. Dzurak, “e imediatamente começamos a trabalhar para ver como poderíamos integrá-la aos chips qubit que minha equipe desenvolveu. Colocamos dois de nossos melhores alunos de Ph.D. no projeto, Ensar Vahapoglu, da minha equipe, e James Slack-Smith, do Jarryd’s.”
“Ficamos muito felizes quando o experimento foi bem-sucedido. Esse problema de como controlar milhões de qubits vinha me preocupando há muito tempo, já que era um grande obstáculo para a construção de um computador quântico em escala real.”
Antes apenas um sonho na década de 1980, os computadores quânticos usando milhares de qubits para resolver problemas de importância comercial podem agora estar a menos de uma década de distância. Além disso, eles devem trazer um novo poder de fogo para resolver desafios globais e desenvolver novas tecnologias devido à sua capacidade de modelar sistemas extraordinariamente complexos.
Mudanças climáticas, design de drogas e vacinas, descriptografia de código e inteligência artificial podem se beneficiar da tecnologia de computação quântica.
Olhando para a frente
Em seguida, a equipe planeja usar essa nova tecnologia para simplificar o projeto de processadores quânticos de silício de curto prazo.
“Remover o fio de controle no chip libera espaço para qubits adicionais e todos os outros eletrônicos necessários para construir um processador quântico. Isso torna a tarefa de ir para a próxima etapa de produção de dispositivos com algumas dezenas de qubits muito mais simples”, diz Prof. Dzurak.
“Embora haja desafios de engenharia a serem resolvidos antes que processadores com um milhão de qubits possam ser feitos, estamos entusiasmados com o fato de que agora temos uma maneira de controlá-los”, disse o Dr. Pla.
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