Os engenheiros quânticos da UNSW Sydney removeram um grande obstáculo que impedia os computadores quânticos de se tornarem realidade. Eles descobriram uma nova técnica que dizem ser capaz de controlar milhões de qubits de spin - as unidades básicas de informação em um processador quântico de silício.

Até agora, cientistas e engenheiros de computação quântica trabalharam com um modelo de prova de conceito de processadores quânticos, demonstrando o controle de apenas um punhado de qubits.

Mas com suas pesquisas mais recentes, publicado hoje em Avanços da Ciência , a equipe encontrou o que considera "a peça do quebra-cabeça que faltava" na arquitetura do computador quântico que deveria permitir o controle dos milhões de qubits necessários para cálculos extraordinariamente complexos.

Dr. Jarryd Pla, um membro do corpo docente da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW diz que sua equipe de pesquisa queria resolver o problema que havia confundido os cientistas da computação quântica por décadas - como controlar não apenas alguns, mas milhões de qubits sem ocupar espaço valioso com mais fiação, que usa mais eletricidade e gera mais calor.

"Até este ponto, controlar qubits de spin de elétrons dependia de nós entregando campos magnéticos de micro-ondas, colocando uma corrente através de um fio bem ao lado do qubit, "Dr. Pla diz.

"Isso representa alguns desafios reais se quisermos aumentar para os milhões de qubits que um computador quântico precisará para resolver problemas globalmente significativos, como o desenho de novas vacinas.

"Primeiramente, os campos magnéticos diminuem muito rapidamente com a distância, portanto, só podemos controlar os qubits mais próximos do fio. Isso significa que precisaríamos adicionar mais e mais fios conforme trazíamos mais e mais qubits, o que ocuparia muito espaço no chip. "

E uma vez que o chip deve operar em temperaturas extremamente baixas, abaixo de -270 ° C, Dr. Pla diz que a introdução de mais fios geraria muito calor no chip, interferindo na confiabilidade dos qubits.

"Então, voltamos a ser capazes de controlar apenas alguns qubits com esta técnica de arame, "Dr. Pla diz.

Momento de lâmpada

A solução para este problema envolveu uma recriação completa da estrutura do chip de silício.

Em vez de ter milhares de fios de controle no mesmo chip de silício do tamanho de uma miniatura que também precisa conter milhões de qubits, a equipe examinou a viabilidade de gerar um campo magnético de cima do chip que pudesse manipular todos os qubits simultaneamente.

Essa ideia de controlar todos os qubits simultaneamente foi postulada pela primeira vez por cientistas da computação quântica na década de 1990, Mas por enquanto, ninguém descobriu uma maneira prática de fazer isso, até agora.

"Primeiro removemos o fio próximo aos qubits e, em seguida, descobrimos uma nova maneira de fornecer campos de controle magnético de frequência de micro-ondas em todo o sistema. Portanto, em princípio, poderíamos entregar campos de controle para até quatro milhões de qubits, "diz o Dr. Pla.

O Dr. Pla e a equipe introduziram um novo componente diretamente acima do chip de silício - um prisma de cristal chamado ressonador dielétrico. Quando as microondas são direcionadas para o ressonador, ele concentra o comprimento de onda das microondas em um tamanho muito menor.

"O ressonador dielétrico encolhe o comprimento de onda abaixo de um milímetro, então agora temos uma conversão muito eficiente da potência de microondas em campo magnético que controla os spins de todos os qubits.

"Existem duas inovações principais aqui. A primeira é que não precisamos colocar muita energia para obter um campo de condução forte para os qubits, o que significa que não geramos muito calor. A segunda é que o campo é muito uniforme em todo o chip, de modo que milhões de qubits experimentem o mesmo nível de controle. "

Quantum team-up

Embora o Dr. Pla e sua equipe tenham desenvolvido a tecnologia de ressonador de protótipo, eles não tinham qubits de silício para testá-lo. Então ele falou com seu colega engenheiro da UNSW, Professor da Scientia Andrew Dzurak, cuja equipe havia demonstrado na última década a primeira e mais precisa lógica quântica usando a mesma tecnologia de fabricação de silício usada para fazer chips de computador convencionais.

"Fiquei completamente pasmo quando Jarryd veio até mim com sua nova ideia, "O Prof. Dzurak diz, "e imediatamente começamos a trabalhar para ver como poderíamos integrá-lo aos chips qubit que minha equipe desenvolveu.

"Colocamos dois de nossos melhores alunos de doutorado no projeto, Ensar Vahapoglu da minha equipe, e James Slack-Smith do Jarryd's.

"Ficamos muito felizes quando o experimento foi bem-sucedido. Esse problema de como controlar milhões de qubits vinha me preocupando há muito tempo, já que era um grande obstáculo para a construção de um computador quântico em escala real. "

Antes apenas sonhado na década de 1980, os computadores quânticos que usam milhares de qubits para resolver problemas de importância comercial podem estar agora a menos de uma década de distância. Além disso, espera-se que tragam novo poder de fogo para resolver desafios globais e desenvolver novas tecnologias devido à sua capacidade de modelar sistemas extraordinariamente complexos.

Das Alterações Climáticas, design de drogas e vacinas, a descriptografia de código e a inteligência artificial podem se beneficiar da tecnologia de computação quântica.

Olhando para a frente

Próximo, a equipe planeja usar essa nova tecnologia para simplificar o projeto de processadores quânticos de silício de curto prazo.

"A remoção do fio de controle no chip libera espaço para qubits adicionais e todos os outros eletrônicos necessários para construir um processador quântico. Isso torna a tarefa de ir para a próxima etapa de produção de dispositivos com algumas dezenas de qubits muito mais simples, "diz o Prof. Dzurak.

"Embora haja desafios de engenharia a serem resolvidos antes que processadores com um milhão de qubits possam ser feitos, estamos entusiasmados com o fato de que agora temos uma maneira de controlá-los, "diz o Dr. Pla.