Cientistas alcançam inovação “transformacional” no dimensionamento de computadores quânticos

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(Créditos: hh5800/iStock)

Por Peter Dockrill
Publicado na ScienceAlert

Os cientistas desenvolveram um novo tipo de chip de computador criogênico capaz de funcionar em temperaturas tão baixas que se aproxima do limite teórico do zero absoluto.

Este sistema criogênico, chamado Gooseberry, estabelece as bases para o que poderia ser uma revolução na computação quântica – permitindo que uma nova geração de máquinas executasse cálculos com milhares de qubits ou mais, enquanto os dispositivos mais avançados de hoje abrangem apenas dezenas.

“Os maiores computadores quânticos do mundo operam atualmente com apenas 50 qubits ou mais”, explica o físico quântico David Reilly, da Universidade de Sydney, na Austrália, e do Quantum Lab da Microsoft.

“Essa pequena escala se deve em parte aos limites da arquitetura física que controla os qubits”.

Essa arquitetura física é restrita por causa das condições extremas que os qubits precisam para realizar cálculos na mecânica quântica.

O chip Gooseberry (vermelho) próximo a um chip de teste qubit (azul) e um chip ressonador (roxo). (Créditos: Microsoft)

Ao contrário dos bits binários em computadores tradicionais, que assumem um valor 0 ou 1, os qubits ocupam o que é conhecido como sobreposição quântica – um estado indefinido e não medido que pode efetivamente representar 0 e 1 ao mesmo tempo no contexto de um maior operação matemática.

Este princípio estranho da mecânica quântica significa que os computadores quânticos podem teoricamente resolver problemas matemáticos extremamente complexos que os computadores clássicos nunca seriam capazes de responder (ou levariam anos tentando).

No entanto, assim como com a tecnologia convencional, mais é sempre melhor e, até o momento, os pesquisadores têm tido limitações em quantos qubits eles são capazes de implantar com sucesso em sistemas quânticos.

Uma das razões para isso é que os qubits precisam de níveis extremos de frio para funcionar (além de outras condições controladas), e a fiação elétrica usada nos sistemas de computador quântico de hoje inevitavelmente produz níveis pequenos, mas suficientes de calor que interrompem os requisitos térmicos.

Os cientistas estão procurando maneiras de contornar isso, mas muitas inovações quânticas até agora dependeram de equipamentos de fiação volumosos para manter as temperaturas estáveis ​​a fim de aumentar a contagem de qubit. Só que essa solução tem seus próprios limites.

“As máquinas atuais criam uma bela série de fios para controlar os sinais; eles se parecem com um ninho de pássaros dourado invertido ou com um lustre”, disse Reilly.

“Eles são bonitos, mas fundamentalmente pouco práticos. Significa que não podemos aumentar a escala das máquinas para realizar cálculos úteis. Há um problema aí”.

A solução para isso poderia ser o Gooseberry: um chip de controle criogênico que pode operar em temperaturas de ‘milikelvin’ apenas uma pequena fração de grau acima do zero absoluto, conforme descrito em um novo estudo.

Essa capacidade térmica extrema significa que ele pode ficar dentro do ambiente refrigerado superfrio com os qubits, fazendo interface com eles e passando sinais dos qubits para um núcleo secundário que fica do lado de fora em outro tanque extremamente frio, imerso em hélio líquido.

Ao fazer isso, ele remove todo o excesso de fiação e o calor excedente que eles geram, o que significa que os problemas contemporâneos relacionados aos qubits na computação quântica podem em breve ser uma coisa do passado.

“O chip é o sistema eletrônico mais complexo para operar nessa temperatura”, explicou Reilly à Digital Trends.

“Esta é a primeira vez que um chip de sinal misto com 100.000 transistores opera a 0,1 kelvin, [o que equivalente a] –273,05 graus Celsius”.

Em última análise, a equipe espera que seu sistema possa permitir que milhares de qubits sejam controlados pelo chip criogênico – um aumento de aproximadamente 20 vezes em relação ao que é possível hoje. No futuro, o mesmo tipo de abordagem pode habilitar os computadores quânticos em um nível totalmente diferente.

“Por que não começar a pensar em bilhões de qubits?”, disse Reilly ao Australian Financial Review. “Quanto mais qubits pudermos controlar, melhor”.

Embora possa levar algum tempo até que vejamos essa descoberta criogênica colocada em uso fora do laboratório, não há dúvida de que estamos dando um grande passo em frente na computação quântica, dizem os especialistas.

“Este chip vai ser transformacional nos próximos anos”, disse Andrew White, diretor do ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQUS), que não estava envolvido com o estudo, mas supervisiona a pesquisa quântica na Austrália, à ABC News.

“Se todos [desenvolvendo computadores quânticos] não estiverem usando esse chip, estarão usando algo inspirado nele”.

As descobertas foram publicadas na Nature Electronics.