Computadores quânticos têm o potencial de resolver rapidamente problemas extremamente complexos que os supercomputadores mais poderosos do mundo levariam décadas para solucionar.
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Alcançar um desempenho elevado envolve a construção de um sistema com milhões de qubits interconectados. Construir e controlar tantos qubits em uma arquitetura de hardware é um desafio gigantesco que cientistas de todo o mundo estão tentando superar.
Para atingir esse objetivo, pesquisadores do MIT e do MITRE demonstraram uma plataforma de hardware modular e escalável que integra milhares de qubits interconectados em um circuito integrado personalizado. Essa arquitetura de “sistema quântico no chip” (“quantum-system-on-chip” ou ‘QSoC’) permite que os pesquisadores ajustem e controlem com precisão uma densa matriz de qubits. Vários chips poderiam ser conectados usando redes ópticas para criar uma rede de comunicação quântica em grande escala.
Ao ajustar qubits em 11 canais de frequência, esta arquitetura QSoC permite um novo protocolo proposto de “multiplexação de emaranhamento” para computação quântica em grande escala.
A equipe passou anos aperfeiçoando um processo intrincado para fabricar matrizes bidimensionais de microchiplets qubit do tamanho de um átomo e transferir milhares deles para um chip semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) cuidadosamente preparado. Esta transferência pode ser realizada em uma única etapa.
“Precisaremos de um grande número de qubits e de grande controle sobre eles para realmente aproveitar o poder de um sistema quântico e torná-lo útil. Estamos propondo uma arquitetura totalmente nova e uma tecnologia de fabricação que possa suportar os requisitos de escalabilidade de um sistema de hardware para um computador quântico”, diz Linsen Li, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) e autor principal de um artigo sobre essa arquitetura.
Os coautores de Li incluem Ruonan Han, professor associado em EECS, líder do Grupo de Eletrônica Integrada Terahertz e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE); autor sênior Dirk Englund, professor do EECS, investigador principal do Grupo de Fotônica Quântica e Inteligência Artificial e do RLE; bem como outros no MIT, na Cornell University, no Delft Institute of Technology, no Army Research Laboratory e na MITRE Corporation. O artigo foi publicado na Nature.
Embora existam muitos tipos de qubits, os pesquisadores optaram por usar centros de cores de diamante devido às suas vantagens de escalabilidade. Anteriormente, eles usaram esses qubits para produzir chips quânticos integrados com circuitos fotônicos.
Qubits feitos de centros coloridos de diamante são “átomos artificiais” que carregam informações quânticas. Como os centros de cores de diamante são sistemas de estado sólido, a fabricação de qubits é compatível com os processos modernos de fabricação de semicondutores. Eles também são compactos e têm tempos de coerência relativamente longos, que se referem à quantidade de tempo que o estado de um qubit permanece estável, devido ao ambiente limpo fornecido pelo material diamantado.
Além disso, os centros de cores do diamante possuem interfaces fotônicas que permitem que sejam emaranhados ou conectados remotamente com outros qubits que não são adjacentes a eles.
“A suposição convencional na área é que a falta de homogeneidade do centro da cor do diamante é uma desvantagem em comparação com memórias quânticas idênticas, como íons e átomos neutros. No entanto, transformamos esse desafio em uma vantagem ao abraçar a diversidade dos átomos artificiais: cada átomo tem a sua própria frequência espectral, o que nos permite comunicar com átomos individuais sintonizando-os em ressonância com um laser, tal como sintonizar o mostrador de um pequeno rádio,” diz Englund.
Para se comunicarem através de qubits, eles precisam ter vários desses “rádios quânticos” discados no mesmo canal. Alcançar essa condição torna-se quase certo ao escalar para milhares de qubits.
Para este fim, os pesquisadores superaram esse desafio integrando uma grande variedade de qubits centrais de cor de diamante em um chip CMOS que fornece os mostradores de controle. O chip pode ser incorporado com lógica digital integrada que reconfigura as tensões de forma rápida e automática, permitindo que os qubits alcancem conectividade total. “Isso compensa a natureza não homogênea do sistema. Com a plataforma CMOS, podemos ajustar de forma rápida e dinâmica todas as frequências de qubit”, explica Li.
Para construir este QSoC, os pesquisadores desenvolveram um processo de fabricação para transferir “microchiplets” de centro de cor de diamante para um backplane CMOS em grande escala.
Eles começaram fabricando uma série de microchiplets centrais de cor de diamante a partir de um bloco sólido de diamante. Eles também projetaram e fabricaram antenas ópticas em nanoescala que permitem uma coleta mais eficiente dos fótons emitidos por esses qubits centrais de cores no espaço livre.
Em seguida, eles projetaram e mapearam o chip da fundição de semicondutores. Trabalhando na sala limpa do MIT.nano, eles pós-processaram um chip CMOS para adicionar soquetes em microescala que correspondam ao conjunto de microchiplet de diamante. Eles construíram uma configuração de transferência interna no laboratório e aplicaram um processo de bloqueio e liberação para integrar as duas camadas, travando os microchiplets de diamante nos soquetes do chip CMOS. Uma vez que os microchiplets de diamante estão fracamente ligados à superfície do diamante, quando libertam o diamante horizontalmente, os microchiplets permanecem nos sockets.
“Como podemos controlar a fabricação do diamante e do chip CMOS, podemos criar um padrão complementar. Dessa forma, podemos transferir milhares de chips de diamante para seus soquetes correspondentes, todos ao mesmo tempo”, diz Li.
Os pesquisadores demonstraram uma transferência de área de 500 por 500 mícrons para uma matriz com 1.024 nanoantenas de diamante, mas eles poderiam usar matrizes de diamante maiores e um chip CMOS maior para ampliar ainda mais o sistema. Na verdade, eles descobriram que com mais qubits, ajustar as frequências requer menos voltagem para esta arquitetura. “Nesse caso, se você tiver mais qubits, nossa arquitetura funcionará ainda melhor”, diz Li.
A equipe testou muitas nanoestruturas antes de determinar o conjunto de microchiplet ideal para o processo de bloqueio e liberação. No entanto, fabricar microchiplets quânticos não é uma tarefa fácil e o processo levou anos para ser aperfeiçoado. “Repetimos e desenvolvemos a receita para fabricar essas nanoestruturas de diamante na sala limpa do MIT, mas é um processo muito complicado. Foram necessárias 19 etapas de nanofabricação para obter os microchiplets quânticos de diamante, e as etapas não foram simples”, acrescenta.
Juntamente com o QSoC, os investigadores desenvolveram uma abordagem para caracterizar o sistema e medir o seu desempenho em larga escala. Para fazer isso, eles construíram uma configuração de metrologia crio-óptica personalizada. Usando essa técnica, eles demonstraram um chip inteiro com mais de 4.000 qubits que poderia ser sintonizado na mesma frequência, mantendo seu spin e propriedades ópticas. Eles também construíram uma simulação de gêmeo digital que conecta o experimento à modelagem digitalizada, o que os ajuda a compreender as causas básicas do fenômeno observado e a determinar como implementar a arquitetura com eficiência.
No futuro, os pesquisadores poderão aumentar o desempenho do seu sistema refinando os materiais usados para fazer qubits ou desenvolvendo processos de controle mais precisos. Eles também poderiam aplicar esta arquitetura a outros sistemas quânticos de estado sólido.