Um novo estudo descreve a necessidade de avanços materiais no hardware usado na fabricação de computadores quânticos, se esses dispositivos futurísticos ultrapassarem as capacidades dos computadores que usamos hoje.

O estudo, publicado no jornal Ciência por uma equipe internacional, pesquisou o estado da pesquisa em hardware de computação quântica com o objetivo de ilustrar os desafios e oportunidades que os cientistas e engenheiros enfrentam.

Enquanto os computadores convencionais codificam 'bits' de informação como uns e zeros, computadores quânticos ultrapassam esse arranjo binário criando 'qubits, 'que pode ser complexo, quantidades contínuas. Armazenar e manipular informações nesta forma exótica - e, finalmente, alcançar a "vantagem quântica" onde os computadores quânticos fazem coisas que os computadores convencionais não podem - requer controle sofisticado dos materiais subjacentes.

"Houve uma explosão no desenvolvimento de tecnologias quânticas nos últimos 20 anos, "disse Nathalie de Leon, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Princeton e principal autor do artigo, "culminando nos esforços atuais para mostrar vantagem quântica para uma variedade de tarefas, da computação e simulação à rede e detecção. "

Até recentemente, a maior parte deste trabalho teve como objetivo demonstrar dispositivos e processadores quânticos de prova de princípio, de Leon disse, mas agora o campo está pronto para enfrentar os desafios do mundo real.

"Assim como o hardware de computação clássico se tornou um campo enorme na ciência e engenharia de materiais no século passado, Acho que o campo das tecnologias quânticas agora está maduro para uma nova abordagem, onde cientistas de materiais, químicos, engenheiros de dispositivos e outros cientistas e engenheiros podem utilizar de forma produtiva sua experiência para resolver o problema. "

O artigo é uma convocação aos cientistas que estudam materiais para enfrentar o desafio de desenvolver hardware para computação quântica, disse Hanhee Paik, autor correspondente e membro da equipe de pesquisa da IBM Quantum.

"O progresso nas tecnologias de computação quântica tem se acelerado nos últimos anos, tanto na pesquisa quanto na indústria, "Paik disse." Para continuar avançando na próxima década, precisaremos de avanços em materiais e tecnologias de fabricação para hardware de computação quântica - de maneira semelhante a como a computação clássica progrediu no dimensionamento do microprocessador. Avanços não acontecem da noite para o dia, e esperamos que mais pessoas na comunidade de materiais comecem a trabalhar na tecnologia de computação quântica. Nosso artigo foi escrito para dar à comunidade de materiais uma visão abrangente de onde estamos no desenvolvimento de materiais em computação quântica com opiniões de especialistas da área. "

No coração dos computadores quânticos estão os qubits, que trabalham juntos para produzir resultados.

Esses qubits podem ser feitos de várias maneiras, com as tecnologias líderes sendo qubits supercondutores, qubits feitos de aprisionamento de íons com luz, qubits feitos de materiais de silício encontrados nos computadores atuais, qubits capturados em "centros de cores" em diamantes de alta pureza, e qubits protegidos topologicamente representados em partículas subatômicas exóticas. O artigo analisa os principais desafios tecnológicos associados a cada um desses materiais e propõe estratégias para enfrentá-los.

Os pesquisadores esperam que uma ou mais dessas plataformas acabem progredindo para o estágio em que a computação quântica pode resolver problemas que as máquinas de hoje consideram impossíveis, como modelar o comportamento de moléculas e fornecer criptografia eletrônica segura.

“Acho que [este artigo] é a primeira vez que esse tipo de quadro abrangente foi montado. Nós priorizamos 'mostrar nosso trabalho, 'e explicando o raciocínio por trás da sabedoria recebida para cada plataforma de hardware, "De Leon disse." Nossa esperança é que esta abordagem possibilite que novos participantes no campo encontrem maneiras de dar uma grande contribuição. "

Os dez co-autores vêm de instituições de pesquisa de todo o mundo, bem como do IBM T. J. Watson Research Center, que tem um grande grupo de pesquisa de computação quântica. Os cientistas se reuniram durante um simpósio sobre materiais para computação quântica patrocinado pela IBM Quantum e a Fundação Kavli e realizado no Materials Research Society Fall Meeting em 2019. Eles passaram a maior parte do tempo durante o período de permanência em casa da pandemia no ano passado desenvolvendo este artigo de revisão.

"Foi uma ótima experiência trabalhar com um grupo com conhecimentos tão diversos, e muitas de nossas atividades envolviam fazer perguntas difíceis uns aos outros sobre por que acreditávamos nas coisas que fazíamos sobre nossas respectivas plataformas de materiais, "disse de Leon, cuja pesquisa explora falhas em materiais de diamante para permitir a comunicação entre nós em uma futura internet quântica.