Tecnologia Científica

Engenheiros fazem avanços cra­ticos no design de computadores qua¢nticos
Os pesquisadores descobriram uma nova técnica que dizem ser capaz de controlar milhões de qubits de spin - as unidades ba¡sicas de informaa§a£o em um processador qua¢ntico de sila­cio.
Por University of New South Wales - 14/08/2021


Dispositivo de giro qubit sendo conectado a  placa de circuito em preparação para medição. Crédito: Serwan Asaad

Os engenheiros qua¢nticos da UNSW Sydney removeram um grande obsta¡culo que impedia os computadores qua¢nticos de se tornarem realidade. Eles descobriram uma nova técnica que dizem ser capaz de controlar milhões de qubits de spin - as unidades ba¡sicas de informação em um processador qua¢ntico de sila­cio.

Atéagora, engenheiros de computação qua¢ntica e cientistas trabalharam com um modelo de prova de conceito de processadores qua¢nticos, demonstrando o controle de apenas um punhado de qubits.

Mas com sua última pesquisa, publicada hoje na Science Advances , a equipe encontrou o que considera "a pea§a do quebra-cabea§a que faltava" na arquitetura do computador qua¢ntico que deve permitir o controle dos milhões de qubits necessa¡rios para ca¡lculos extraordinariamente complexos.

Dr. Jarryd Pla, um membro do corpo docente da Escola de Engenharia Elanãtrica e Telecomunicações da UNSW, diz que sua equipe de pesquisa queria resolver o problema que havia confundido os cientistas da computação qua¢ntica 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.

"Atéeste ponto, o controle dos qubits de spin do elanãtron dependia de nosfornecermos campos magnanãticos de micro-ondas, colocando uma corrente atravanãs 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 qua¢ntico precisara¡ para resolver problemas globalmente significativos, como o projeto de novas vacinas.

"Em primeiro lugar, os campos magnanãticos diminuem muito rapidamente com a distância, então são podemos controlar os qubits mais pra³ximos do fio. Isso significa que precisara­amos adicionar mais e mais fios a  medida que trouxanãssemos mais e mais qubits, o que ocuparia muitos ima³veis 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.

Momento de la¢mpada

A solução para este problema envolveu uma recriação completa da estrutura do chip de sila­cio.

Em vez de ter milhares de fios de controle no mesmo chip de sila­cio 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 qua¢ntica na década de 1990, mas atéagora, ninguanãm havia desenvolvido uma maneira prática de fazer isso, atéagora.

"Primeiro removemos o fio pra³ximo 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 princa­pio, podera­amos fornecer campos de controle de atéquatro milhões de qubits", disse o Dr. . Pla.

O Dr. Pla e a equipe introduziram um novo componente diretamente acima do chip de sila­cio - um prisma de cristal chamado ressonador dielanãtrico. Quando as microondas são direcionadas para o ressonador, ele concentra o comprimento de onda das microondas em um tamanho muito menor.

"O ressonador dielanãtrico encolhe o comprimento de onda abaixo de um mila­metro, então agora temos uma conversão muito eficiente da energia de microondas em campo magnético que controla os spins de todos os qubits.

"Existem duas inovações importantes aqui. A primeira éque 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 éque o campo émuito uniforme em todo o chip, de modo que milhões de qubits experimentam o mesmonívelde controle. "

Quantum team-up

Embora o Dr. Pla e sua equipe tenham desenvolvido o prota³tipo da tecnologia do ressonador, eles não tinham qubits de sila­cio para testa¡-la. 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 qua¢ntica usando a mesma tecnologia de fabricação de sila­cio usada para fazer chips convencionais de computador.

“Fiquei completamente maravilhado quando Jarryd me apresentou sua nova ideia”, diz o Prof. Dzurak, “e imediatamente comea§amos a trabalhar para ver como podera­amos integra¡-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 hámuito tempo, já que era um grande obsta¡culo para a construção de um computador qua¢ntico em escala real."

Antes apenas um sonho na década de 1980, os computadores qua¢nticos usando milhares de qubits para resolver problemas de importa¢ncia comercial podem agora estar a menos de uma década de distância. Além disso, espera-se que tragam novo poder de fogo para resolver desafios globais e desenvolver novas tecnologias devido a  sua capacidade de modelar sistemas extraordinariamente complexos.

Mudanças climáticas, design de drogas e vacinas, descriptografia de ca³digo e inteligaªncia artificial podem se beneficiar da tecnologia de computação qua¢ntica.

Olhando para a frente

Em seguida, a equipe planeja usar essa nova tecnologia para simplificar o projeto de processadores qua¢nticos de sila­cio de curto prazo.

"Remover o fio de controle no chip libera espaço para qubits adicionais e todos os outros eletra´nicos necessa¡rios para construir um processador qua¢ntico. 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 milha£o de qubits possam ser feitos, estamos entusiasmados com o fato de que agora temos uma maneira de controla¡-los", disse o Dr. Pla.

 

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