Uma equipe de físicos de computadores quânticos da UNSW Sydney projetou um processador quântico em escala atômica para simular o comportamento de uma pequena molécula orgânica, resolvendo um desafio lançado há cerca de 60 anos pelo físico teórico Richard Feynman.
A conquista, que ocorreu dois anos antes do previsto, representa um marco importante na corrida para construir o primeiro computador quântico do mundo e demonstra a capacidade da equipe de controlar os estados quânticos de elétrons e átomos no silício em um nível requintado não alcançado antes.

Em um artigo publicado hoje na revista Nature , os pesquisadores descreveram como eles foram capazes de imitar a estrutura e os estados de energia do composto orgânico poliacetileno – uma cadeia repetida de átomos de carbono e hidrogênio distinguida por ligações alternadas simples e duplas de carbono.

A pesquisadora líder e ex-australiana do ano, a professora da Scientia Michelle Simmons, disse que a equipe da Silicon Quantum Computing, uma das startups mais empolgantes da UNSW, construiu um circuito integrado quântico composto por uma cadeia de 10 pontos quânticos para simular a localização precisa dos átomos na cadeia de poliacetileno.

"Se você voltar para a década de 1950, Richard Feynman disse que você não pode entender como a natureza funciona a menos que você possa construir matéria na mesma escala de comprimento", disse o professor Simmons.

"E é isso que estamos fazendo, estamos literalmente construindo de baixo para cima, onde estamos imitando a molécula de poliacetileno colocando átomos em silício com as distâncias exatas que representam as ligações carbono-carbono simples e duplas."

Reação em cadeia

A pesquisa baseou-se na medição da corrente elétrica através de uma réplica de 10 pontos quânticos deliberadamente projetada da molécula de poliacetileno à medida que cada novo elétron passava da saída da fonte do dispositivo para o dreno – a outra extremidade do circuito.

Para ter certeza dupla, eles simularam duas cadeias de polímeros diferentes.

No primeiro dispositivo eles cortam um trecho da cadeia para deixar ligações duplas no final dando 10 picos na corrente. No segundo dispositivo eles cortam um trecho diferente da cadeia para deixar ligações simples no final apenas dando origem a dois picos na corrente. A corrente que passa por cada cadeia era, portanto, dramaticamente diferente devido aos diferentes comprimentos de ligação dos átomos no final da cadeia.

Não só as medições coincidiram com as previsões teóricas, como combinaram perfeitamente.

"O que está mostrando é que você pode literalmente imitar o que realmente acontece na molécula real. E é por isso que é emocionante, porque as assinaturas das duas cadeias são muito diferentes", disse Simmons.

"A maioria das outras arquiteturas de computação quântica por aí não tem a capacidade de projetar átomos com precisão subnanométrica ou permitir que os átomos fiquem tão próximos.

“E isso significa que agora podemos começar a entender moléculas cada vez mais complicadas com base em colocar os átomos no lugar como se estivessem imitando o sistema físico real”.

Permanecendo na borda

De acordo com o Prof. Simmons, não foi por acaso que uma cadeia de carbono de 10 átomos foi escolhida porque está dentro do limite de tamanho que um computador clássico é capaz de calcular, com até 1024 interações separadas de elétrons nesse sistema. Aumentando-o para uma cadeia de 20 pontos, o número de interações possíveis aumentaria exponencialmente, dificultando a resolução de um computador clássico.

"Estamos perto do limite do que os computadores clássicos podem fazer, então é como sair da borda para o desconhecido", diz ela.

"E isso é o que é emocionante, agora podemos fazer dispositivos maiores que estão além do que um computador clássico pode modelar. Assim, podemos olhar para moléculas que não foram simuladas antes. Seremos capazes de entender o mundo. de uma maneira diferente, abordando questões fundamentais que nunca fomos capazes de resolver antes."

Uma das questões que o Prof. Simmons aludiu é sobre entender e imitar a fotossíntese – como as plantas usam a luz para criar energia química para o crescimento. Ou entender como otimizar o projeto de catalisadores usados ​​para fertilizantes, atualmente um processo de alta energia e alto custo.

“Portanto, há enormes implicações para entender fundamentalmente como a natureza funciona”, disse ela.

Futuros computadores quânticos

Muito tem sido escrito sobre computadores quânticos nas últimas três décadas, com a pergunta de um bilhão de dólares sempre sendo "mas quando podemos ver um?"

O professor Simmons diz que o desenvolvimento de computadores quânticos está em uma trajetória comparável a como os computadores clássicos evoluíram - de um transistor em 1947 a um circuito integrado em 1958 e, em seguida, pequenos chips de computação que entraram em produtos comerciais como calculadoras aproximadamente cinco anos depois disso. .

"E agora estamos replicando esse roteiro para computadores quânticos", diz o professor Simmons.

"Começamos com um transistor de átomo único em 2012. E este último resultado, realizado em 2021, é o equivalente ao circuito integrado quântico em escala atômica, dois anos antes do tempo. estamos prevendo que devemos ter algum tipo de resultado comercial de nossa tecnologia daqui a cinco anos."

Uma das vantagens que a pesquisa da equipe UNSW/SQC traz é que a tecnologia é escalável porque consegue usar menos componentes no circuito para controlar os qubits – os bits básicos da informação quântica.

"Em sistemas quânticos, você precisa de algo que crie os qubits, algum tipo de estrutura no dispositivo que permita formar o estado quântico", diz o professor Simmons.

"Em nosso sistema, os próprios átomos criam os qubits, exigindo menos elementos nos circuitos. Precisávamos apenas de seis portas metálicas para controlar os elétrons em nosso sistema de 10 pontos - em outras palavras, temos menos portas do que componentes ativos do dispositivo. . Considerando que a maioria das arquiteturas de computação quântica precisam quase o dobro ou mais de sistemas de controle para mover os elétrons na arquitetura qubit."

A necessidade de menos componentes compactados minimiza a quantidade de qualquer interferência com os estados quânticos, permitindo que os dispositivos sejam dimensionados para criar sistemas quânticos mais complexos e poderosos.

"Assim, essa densidade física de portão muito baixa também é muito empolgante para nós, porque mostra que temos esse sistema limpo e agradável que podemos manipular, mantendo a coerência em longas distâncias com sobrecarga mínima nos portões. É por isso que é valioso para sistemas escaláveis Computação quântica."

Olhando para o futuro, o Prof. Simmons e seus colegas irão explorar compostos maiores que podem ter sido previstos teoricamente, mas nunca foram simulados e totalmente compreendidos antes, como supercondutores de alta temperatura. + Explorar mais

A computação quântica sem erros se torna real