Engenheiros da University of New South Wales da Austrália inventaram uma nova arquitetura radical para a computação quântica, baseado no romance 'flip-flop qubits', que promete tornar a fabricação em grande escala de chips quânticos dramaticamente mais barata - e mais fácil - do que se pensava ser possível.

O novo design do chip, detalhado no jornal Nature Communications , permite um processador quântico de silício que pode ser ampliado sem a colocação precisa de átomos necessária em outras abordagens. Mais importante, ele permite que bits quânticos (ou 'qubits') - a unidade básica de informação em um computador quântico - sejam colocados separados por centenas de nanômetros e ainda permaneçam acoplados.

O projeto foi concebido por uma equipe liderada por Andrea Morello, Gerente de Programa no Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T), baseado em UNSW, em Sydney, que disse que a fabricação do novo design deveria estar facilmente ao alcance da tecnologia de hoje.

Autor principal Guilherme Tosi, um pesquisador da CQC2T, desenvolveu o conceito pioneiro junto com Morello e co-autores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt e Stefanie Tenberg de CQC2T, com os colaboradores Rajib Rahman e Gerhard Klimeck da Purdue University nos EUA.

"É um design brilhante, e como muitos desses saltos conceituais, é incrível que ninguém tenha pensado nisso antes, "disse Morello.

“O que Guilherme e a equipe inventaram é uma nova maneira de definir um 'spin qubit' que usa tanto o elétron quanto o núcleo do átomo. 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. "

Tosi disse que o projeto contorna um desafio que todos os qubits de silício baseados em spin deveriam enfrentar conforme as equipes começassem a construir matrizes cada vez maiores de qubits:a necessidade de espaçá-los a uma distância de apenas 10-20 nanômetros, ou apenas 50 átomos separados.

"Se eles estão muito perto, ou muito distantes, o 'emaranhamento' entre os bits quânticos - que é o que torna os computadores quânticos tão especiais - não ocorre, "Tosi disse.

Pesquisadores da UNSW já lideram o mundo na produção de spin qubits nesta escala, disse Morello. "Mas se quisermos fazer uma série de milhares ou milhões de qubits tão próximos uns dos outros, significa que todas as linhas de controle, a eletrônica de controle e os dispositivos de leitura também devem ser fabricados nessa escala nanométrica, e com aquele pitch e aquela densidade de eletrodos. Este novo conceito sugere outro caminho. "

Na outra extremidade do espectro estão os circuitos supercondutores - perseguidos, por exemplo, pela IBM e pelo Google - e armadilhas iônicas. Esses sistemas são grandes e mais fáceis de fabricar, e estão atualmente liderando o caminho no número de qubits que podem ser operados. Contudo, devido às suas dimensões maiores, no longo prazo, eles podem enfrentar desafios ao tentar montar e operar milhões de qubits, conforme exigido pelos algoritmos quânticos mais úteis.

"Nossa nova abordagem baseada em silício é o ponto ideal, "disse Morello, professor de engenharia quântica na UNSW. "É mais fácil de fabricar do que dispositivos em escala atômica, mas ainda nos permite colocar um milhão de qubits em um milímetro quadrado. "

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

No núcleo está um átomo de fósforo, a partir do qual a equipe de Morello construiu anteriormente dois qubits funcionais usando um elétron e o núcleo do átomo. Esses qubits, tomadas individualmente, demonstraram tempos de coerência recorde mundial.

A descoberta conceitual de Tosi é a criação de um tipo inteiramente novo de qubit, usando o núcleo e o elétron. Nesta abordagem, um estado qubit '0' é definido quando o spin do elétron está para baixo e o spin do núcleo para cima, enquanto o estado '1' é quando o spin do elétron está para cima, e o spin nuclear diminuiu.

"Nós o chamamos de qubit 'flip-flop', "disse Tosi." Para operar este qubit, você precisa puxar o elétron um pouco para longe do núcleo, usando os eletrodos na parte superior. Ao fazê-lo, você também cria um dipolo elétrico. "

"Este é o ponto crucial, "acrescenta Morello." Esses dipolos elétricos interagem entre si a distâncias bastante grandes, uma boa fração de um mícron, ou 1, 000 nanômetros.

"Isso significa que agora podemos colocar os qubits de átomo único muito mais separados do que se pensava ser possível, "ele continuou." Portanto, há muito espaço para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, eletrodos de controle e dispositivos de leitura, ao mesmo tempo em que retém a natureza precisa do átomo do bit quântico. "

Morello chamou o conceito de Tosi de tão significativo quanto o artigo seminal de Bruce Kane de 1998 em Natureza . Kane, em seguida, um associado sênior de pesquisa da UNSW, encontrou uma nova arquitetura que poderia tornar um computador quântico baseado em silício uma realidade - desencadeando a corrida da Austrália para construir um computador quântico.

"Como o jornal de Kane, esta é uma teoria, uma proposta - o qubit ainda não foi construído, "disse Morello." Temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é inteiramente viável, portanto, estamos trabalhando para demonstrar isso totalmente. Mas eu acho que isso é tão visionário quanto o artigo original de Kane. "

Construir um computador quântico tem sido chamado de 'corrida espacial do século 21' - um desafio difícil e ambicioso com o potencial de fornecer ferramentas revolucionárias para lidar com cálculos que de outra forma seriam impossíveis, com uma infinidade de aplicações úteis na área da saúde, defesa, finança, química e desenvolvimento de materiais, depuração de software, aeroespacial e transporte. Sua velocidade e poder residem no fato de que os sistemas quânticos podem hospedar várias 'superposições' de diferentes estados iniciais, e no assustador 'emaranhamento' que só ocorre no nível quântico das partículas fundamentais.

"Será necessária uma grande engenharia para trazer a computação quântica à realidade comercial, e o trabalho que vemos dessa equipe extraordinária coloca a Austrália no assento do motorista, "disse Mark Hoffman, Reitor de Engenharia da UNSW. "É um ótimo exemplo de como o UNSW, como muitas das principais universidades de pesquisa do mundo, está hoje no centro de um sofisticado sistema de conhecimento global que está moldando nosso futuro. "

A equipe UNSW fechou um acordo de A $ 83 milhões entre UNSW, Telstra gigante da telco, O Commonwealth Bank da Austrália e os governos da Austrália e de Nova Gales do Sul para desenvolver, em 2022, um protótipo de 10 qubit de circuito integrado quântico de silício - a primeira etapa na construção do primeiro computador quântico em silício do mundo.

Em agosto, os parceiros lançaram a Silicon Quantum Computing Pty Ltd, A primeira empresa de computação quântica da Austrália, para avançar no desenvolvimento e comercialização de tecnologias exclusivas da equipe. O governo de NSW prometeu A $ 8,7 milhões, UNSW A $ 25 milhões, o Commonwealth Bank A $ 14 milhões, Telstra A $ 10 milhões e o Governo Federal A $ 25 milhões.