Ano passado, O Google produziu um computador quântico de 53 qubit que poderia realizar um cálculo específico significativamente mais rápido do que o supercomputador mais rápido do mundo. Como a maioria dos maiores computadores quânticos de hoje, este sistema possui dezenas de qubits - as contrapartes quânticas dos bits, que codificam informações em computadores convencionais.

Para fazer sistemas maiores e mais úteis, a maioria dos protótipos de hoje terá que superar os desafios de estabilidade e escalabilidade. O último exigirá o aumento da densidade de sinalização e fiação, o que é difícil de fazer sem degradar a estabilidade do sistema. Acredito que um novo esquema de fiação de circuito desenvolvido nos últimos três anos pela Equipe de Pesquisa em Eletrônica Quântica Supercondutora da RIKEN, em colaboração com outros institutos, abre a porta para aumentar até 100 ou mais qubits na próxima década. Aqui, Eu discuto como.

Desafio um:Escalabilidade

Os computadores quânticos processam informações usando interações delicadas e complexas baseadas nos princípios da mecânica quântica. Para explicar isso melhor, devemos entender os qubits. Um computador quântico é construído a partir de qubits individuais, que são análogos aos bits binários usados ​​em computadores convencionais. Mas, em vez de zero ou um estado binário de um bit, um qubit precisa manter um estado quântico muito frágil. Em vez de ser apenas zero ou um, qubits também podem estar em um estado chamado de superposição - onde eles estão em um estado de zero e um ao mesmo tempo. Isso permite que computadores quânticos baseados em qubits processem dados em paralelo para cada estado lógico possível, zero ou um, e podem, assim, ter um desempenho mais eficiente, e, portanto, mais rápido, cálculos do que os computadores convencionais baseados em bits para tipos específicos de problemas.

Contudo, é muito mais difícil criar um qubit do que um bit convencional, e é necessário controle total sobre o comportamento da mecânica quântica de um circuito. Os cientistas descobriram algumas maneiras de fazer isso com alguma confiabilidade. Na RIKEN, um circuito supercondutor com um elemento chamado junção Josephson é usado para criar um efeito mecânico quântico útil. Desta maneira, Os qubits agora podem ser produzidos de forma confiável e repetida com técnicas de nanofabricação comumente usadas na indústria de semicondutores.

O desafio da escalabilidade surge do fato de que cada qubit então precisa de fiação e conexões que produzem controles e leituras com o mínimo de diafonia. À medida que passamos por minúsculas matrizes de qubits de dois por dois ou quatro por quatro, percebemos o quão densamente a fiação associada pode ser embalada, e tivemos que criar melhores sistemas e métodos de fabricação para evitar que nossos fios se cruzassem, literalmente.

Na RIKEN, construímos uma matriz quatro por quatro de qubits usando nosso próprio esquema de fiação, onde as conexões para cada qubit são feitas verticalmente da parte traseira de um chip, em vez de uma interface separada 'flip chip' usada por outros grupos que traz os blocos de fiação para as bordas de um chip quântico. Isso envolve alguma fabricação sofisticada com uma matriz densa de vias supercondutoras (conexões elétricas) através de um chip de silício, mas deve nos permitir escalar para dispositivos muito maiores. Nossa equipe está trabalhando em um dispositivo de 64 qubit, que esperamos ter nos próximos três anos. Isso será seguido por um dispositivo de 100 qubit em outros cinco anos, como parte de um programa de pesquisa com financiamento nacional. Essa plataforma deve permitir, em última análise, até 1, 000 qubits a serem integrados em um único chip.

Desafio dois:estabilidade

O outro grande desafio para os computadores quânticos é como lidar com a vulnerabilidade intrínseca dos qubits às flutuações ou ruído de forças externas, como a temperatura. Para um qubit funcionar, ele precisa ser mantido em um estado de superposição quântica, ou "coerência quântica". Nos primeiros dias dos qubits supercondutores, poderíamos fazer esse estado durar apenas nanossegundos. Agora, resfriando computadores quânticos a temperaturas criogênicas e criando vários outros controles ambientais, podemos manter a coerência por até 100 microssegundos. Algumas centenas de microssegundos nos permitiriam realizar alguns milhares de operações de processamento de informações, na média, antes que a coerência seja perdida.

Em teoria, uma maneira de lidar com a instabilidade é usar a correção de erros quânticos, onde exploramos vários qubits físicos para codificar um único "qubit lógico, "e aplicar um protocolo de correção de erros que pode diagnosticar e corrigir erros para proteger o qubit lógico. Mas perceber isso ainda está longe por muitos motivos, não menos importante é o problema da escalabilidade.

Circuitos quânticos

Desde a década de 1990, antes que a computação quântica se tornasse uma grande coisa. Quando comecei, Eu estava interessado em saber se minha equipe poderia criar e medir estados de superposição quântica em circuitos elétricos. No momento, não era de todo óbvio se os circuitos elétricos como um todo podiam se comportar de maneira mecânica quântica. Para realizar um qubit estável em um circuito e criar estados de ativação e desativação no circuito, o circuito também precisava ser capaz de suportar um estado de superposição.

Por fim, tivemos a ideia de usar um circuito supercondutor. O estado supercondutor está livre de todas as perdas e resistências elétricas, e por isso é simplificado para responder a pequenos efeitos da mecânica quântica. Para testar este circuito, usamos uma ilha supercondutora em microescala feita de alumínio, que foi conectado a um eletrodo de aterramento supercondutor maior por meio de uma junção Josephson - uma junção separada por uma barreira isolante de nanômetros de espessura - e prendemos pares de elétrons supercondutores que faziam um túnel através da junção. Por causa da pequenez da ilha de alumínio, poderia acomodar no máximo um par excedente devido a um efeito conhecido como bloqueio de Coulomb entre pares carregados negativamente. Os estados de zero ou um par em excesso na ilha podem ser usados ​​como o estado de um qubit. O tunelamento mecânico quântico mantém a coerência do qubit e nos permite criar uma superposição dos estados, que é totalmente controlado com pulsos de microondas.

Sistemas híbridos

Por causa de sua natureza muito delicada, É improvável que os computadores quânticos estejam em residências no futuro próximo. Contudo, reconhecendo os enormes benefícios dos computadores quânticos orientados para a pesquisa, gigantes industriais, como Google e IBM, bem como muitas empresas iniciantes e institutos acadêmicos em todo o mundo, estão investindo cada vez mais em pesquisa.

Uma plataforma comercial de computação quântica com correção total de erros provavelmente ainda está a mais de uma década de distância, mas os desenvolvimentos técnicos de ponta já estão trazendo a possibilidade de novas ciências e aplicações. Os circuitos quânticos de menor escala já executam tarefas úteis no laboratório.

Por exemplo, usamos nossa plataforma de circuito quântico supercondutor em combinação com outros sistemas mecânicos quânticos. Este sistema quântico híbrido nos permite medir uma única reação quântica dentro de excitações coletivas - sejam precessões de giros de elétrons em um ímã, vibrações de rede cristalina em um substrato, ou campos eletromagnéticos em um circuito - com sensibilidade sem precedentes. Essas medições devem avançar nossa compreensão da física quântica, e com ela a computação quântica. Nosso sistema também é sensível o suficiente para medir um único fóton em frequências de microondas, cuja energia é cerca de cinco ordens de magnitude menor do que a de um fóton de luz visível, sem absorvê-lo ou destruí-lo. A esperança é que isso sirva como um bloco de construção para redes quânticas conectando módulos qubit distantes, entre outras coisas.

Internet quântica

A interface de um computador quântico supercondutor a uma rede de comunicação quântica óptica é outro desafio futuro para nosso sistema híbrido. Isso seria desenvolvido em antecipação a um futuro que inclui uma internet quântica conectada por fiação ótica que lembra a internet de hoje. Contudo, mesmo um único fóton de luz infravermelha em um comprimento de onda de telecomunicação não pode atingir diretamente um qubit supercondutor sem perturbar a informação quântica, portanto, um design cuidadoso é essencial. Atualmente, estamos investigando sistemas quânticos híbridos que transduzem sinais quânticos de um qubit supercondutor para um fóton infravermelho, e vice versa, por meio de outros sistemas quânticos, como aquele que envolve um pequeno oscilador acústico.

Embora muitos problemas complexos precisem ser superados, os cientistas podem ver um futuro aprimorado por computadores quânticos no horizonte. Na verdade, a ciência quântica já está em nossas mãos todos os dias. Transistores e diodos de laser nunca teriam sido inventados sem uma compreensão adequada das propriedades dos elétrons em semicondutores, que é totalmente baseado no entendimento da mecânica quântica. Por meio de smartphones e da Internet, já estamos totalmente dependentes da mecânica quântica, e só nos tornaremos mais fortes no futuro.