p Equipes de pesquisa em todo o mundo estão explorando diferentes maneiras de projetar um chip de computação funcional que possa integrar interações quânticas. Agora, Os engenheiros da UNSW acreditam que resolveram o problema, reimaginar os microprocessadores de silício que conhecemos para criar um design completo para um chip de computador quântico que pode ser fabricado usando principalmente processos e componentes padrão da indústria. p O novo design do chip, publicado no jornal Nature Communications , detalha uma nova arquitetura que permite que cálculos quânticos sejam realizados usando componentes semicondutores existentes, conhecido como CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) - a base para todos os chips modernos.

p Foi criado por Andrew Dzurak, diretor do Australian National Fabrication Facility da University of New South Wales (UNSW), e Dr. Menno Veldhorst, autor principal do artigo que era pesquisador da UNSW quando o trabalho conceitual foi concluído.

p "Muitas vezes pensamos em pousar na Lua como a maior maravilha tecnológica da humanidade, "disse Dzurak, que também é líder de programa no famoso Centro de Excelência para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da Austrália (CQC2T). "Mas criar um chip microprocessador com um bilhão de dispositivos operacionais integrados para funcionar como uma sinfonia - que você pode carregar no bolso! - é uma conquista técnica surpreendente, e que revolucionou a vida moderna.

p "Com a computação quântica, estamos à beira de outro salto tecnológico que pode ser tão profundo e transformador. Mas um projeto de engenharia completo para realizar isso em um único chip tem sido evasivo. Acho que o que desenvolvemos na UNSW agora torna isso possível. E o mais importante, pode ser feito em uma moderna fábrica de semicondutores, " ele adicionou.

p Veldhorst, agora um líder de equipe em tecnologia quântica na QuTech - uma colaboração entre a Delft University of Technology e a TNO, a Organização Holandesa de Pesquisa Científica Aplicada - disse que o poder do novo design é que, pela primeira vez, ele traça um caminho de engenharia concebível para a criação de milhões de bits quânticos, ou qubits.

p "Por mais notáveis ​​que sejam, Os chips de computador de hoje não podem aproveitar os efeitos quânticos necessários para resolver os problemas realmente importantes que os computadores quânticos resolverão. Para resolver problemas que tratam de grandes desafios globais - como mudança climática ou doenças complexas como câncer - é geralmente aceito que precisaremos de milhões de qubits trabalhando em conjunto. Fazer isso, precisaremos empacotar qubits juntos e integrá-los, como fazemos com os modernos chips de microprocessador. É isso que este novo design pretende alcançar.

p "Nosso projeto incorpora interruptores de transistor de silício convencionais para 'ligar' as operações entre qubits em uma vasta matriz bidimensional, usando um protocolo de seleção de 'palavra' e 'bit' baseado em grade semelhante ao usado para selecionar bits em um chip de memória de computador convencional, "ele acrescentou." Ao selecionar eletrodos acima de um qubit, podemos controlar o giro de um qubit, que armazena o código binário quântico de 0 ou 1. E selecionando eletrodos entre os qubits, interações lógicas de dois qubit, ou cálculos, pode ser executado entre qubits. "

p Um computador quântico expande exponencialmente o vocabulário do código binário usado em computadores modernos usando dois princípios assustadores da física quântica - a saber, 'emaranhamento' e 'superposição'. Qubits pode armazenar um 0, a 1, ou uma combinação arbitrária de 0 e 1 ao mesmo tempo. E assim como um computador quântico pode armazenar vários valores de uma vez, para que possa processá-los simultaneamente, fazendo várias operações ao mesmo tempo.

p Isso permitiria que um computador quântico universal fosse milhões de vezes mais rápido do que qualquer computador convencional ao resolver uma série de problemas importantes.

p Mas para resolver problemas complexos, um computador quântico universal útil precisará de um grande número de qubits, possivelmente milhões, porque todos os tipos de qubits que conhecemos são frágeis, e mesmo pequenos erros podem ser rapidamente transformados em respostas erradas.

p "Portanto, precisamos usar códigos de correção de erros que empregam vários qubits para armazenar um único dado, "disse Dzurak." Nosso projeto de chip incorpora um novo tipo de código de correção de erros projetado especificamente para spin qubits, e envolve um protocolo sofisticado de operações em milhões de qubits. É a primeira tentativa de integrar em um único chip todos os circuitos convencionais de silício necessários para controlar e ler os milhões de qubits necessários para a computação quântica. "

p "Esperamos que ainda haja modificações necessárias para este projeto à medida que avançamos para a fabricação, mas todos os componentes-chave necessários para a computação quântica estão aqui em um único chip. E isso é o que será necessário se quisermos fazer dos computadores quânticos um burro de carga para cálculos que estão muito além dos computadores de hoje, "Dzurak acrescentou." Mostra como integrar os milhões de qubits necessários para realizar a verdadeira promessa da computação quântica. "

p Construir um computador quântico universal tem sido chamado de 'corrida espacial do século 21'. Para uma série de cálculos, eles serão muito mais rápidos do que os computadores existentes, e para alguns problemas desafiadores, eles podem encontrar soluções em dias, talvez até horas, quando os melhores supercomputadores de hoje levariam milhões de anos.

p Existem pelo menos cinco abordagens de computação quântica principais sendo exploradas em todo o mundo:qubits de spin de silício, armadilhas de íons, circuitos supercondutores, vacâncias de diamante e qubits topológicos; O design da UNSW é baseado em qubits de spin de silício. O principal problema com todas essas abordagens é que não há um caminho claro para aumentar o número de bits quânticos até os milhões necessários sem que o computador se torne um enorme sistema que requer equipamento de suporte volumoso e infraestrutura cara.

p É por isso que o novo design da UNSW é tão empolgante:confiar em sua abordagem de qubit spin de silício - que já imita muitos dos dispositivos de estado sólido em silício que são o coração da indústria global de semicondutores de US $ 380 bilhões - mostra como encaixar o erro de qubit spin de andorinha corrigir o código em designs de chips existentes, permitindo a verdadeira computação quântica universal.

p Ao contrário de quase todos os outros grandes grupos em outros lugares, O esforço de computação quântica da CQC2T é obsessivamente focado na criação de dispositivos de estado sólido em silício, a partir do qual todos os chips de computador do mundo são feitos. E eles não estão apenas criando designs ornamentados para mostrar quantos qubits podem ser embalados juntos, mas com o objetivo de construir qubits que poderiam um dia ser facilmente fabricados - e aumentados.

p "É meio que varrido um pouco para baixo do tapete, mas para computação quântica em grande escala, vamos precisar de milhões de qubits, "disse Dzurak." Aqui, mostramos uma maneira como os qubits de spin podem ser aumentados massivamente. E essa é a chave. "

p O design é um salto em frente em qubits de spin de silício; foi apenas dois anos atrás, em um artigo na Nature, que Dzurak e Veldhorst mostraram, pela primeira vez, como cálculos de lógica quântica podem ser feitos em um dispositivo de silício real, com a criação de uma porta lógica de dois qubit - o bloco de construção central de um computador quântico.

p "Esses foram os primeiros passos de bebê, as primeiras demonstrações de como transformar este conceito de computação quântica radical em um dispositivo prático usando componentes que sustentam toda a computação moderna, "disse Mark Hoffman, Reitor de Engenharia da UNSW. "Nossa equipe agora tem um plano para aumentar drasticamente isso.

p "Testamos elementos desse design no laboratório, com resultados muito positivos. Precisamos apenas continuar construindo sobre isso - o que ainda é um grande desafio, mas a base está lá, e é muito encorajador. Ainda será necessária uma grande engenharia para trazer a computação quântica à realidade comercial, mas claramente o trabalho que vemos desta equipe extraordinária na CQC2T coloca a Austrália no assento do motorista, " ele adicionou.

p Outros pesquisadores do CQC2T envolvidos no projeto publicado no artigo da Nature Communications foram Henry Yang e Gertjan Eenink, este último ingressou na Veldhorst na QuTech.

p A equipe UNSW fechou um acordo de A $ 83 milhões entre UNSW, Telstra, O Commonwealth Bank 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.

p 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, A Telstra A $ 10 milhões e o Governo Australiano A $ 25 milhões.