Computador quântico pode finalmente tornar-se uma realidade

Investigadores australianos criaram um novo tipo de qubit – o bloco de construção dos computadores quânticos – que dizem que tornará finalmente possível a produção de um computador quântico de grande escala.

Em termos gerais há atualmente várias formas de construir um computador quântico. Alguns ocupam menos espaço, mas tendem a ser incrivelmente complexos. Outros são mais simples, mas se quisermos aumentar a escala, é preciso ultrapassar algumas barreiras.

Uma forma testada de capturar um qubit , ou bit quântico, a unidade de informação quântica, é usar tecnologias padrão, como armadilhas de iões e pinças ópticas, que conseguem manter-se ligadas às partículas durante tempo suficiente para que os seus estados quânticos sejam analisados.

Outros usam circuitos feitos de materiais supercondutores para detetar superposições quânticas dentro das escorregadias correntes elétricas. A vantagem deste tipo de sistemas é serem baseadas em técnicas e equipamentos que já existem, tornando-os relativamente acessíveis e fáceis de montar.

O custo é o espaço: a tecnologia pode funcionar para um número relativamente pequeno de qubits, mas quando pensamos em centenas ou milhares deles vinculados num computador, a escala rapidamente torna-se inexequível.

Escalas reais, finalmente

Graças à codificação de informações no núcleo e no eletrão de um átomo, o novo qubit de silício, chamado de “qubit flip-flop”, pode ser controlado por sinais elétricos, em vez dos magnéticos. O que significa que pode manter o emaranhamento quântico numa distância maior do que nunca, tornando mais barato e fácil construir num computador quântico escalável.

“Se estão muito próximos, ou muito distantes, o ’emaranhamento’ entre os bits quânticos – o que torna os computadores quânticos tão especiais – não ocorre”, diz Guilherme Tosi, investigador da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, e responsável por este novo qubit, ao Scimex.

O “qubit flip-flop” fica entre esses dois extremos, oferecendo um verdadeiro emaranhamento quântico numa distância de centenas de nanómetros. Noutras palavras, isto pode ser exatamente aquilo que temos vindo a precisar para tornar os computadores quânticos baseados em silício escaláveis.

Para já, temos apenas um modelo desse dispositivo, que ainda não foi construído. Mas, segundo o líder da equipa responsável pela investigação, Andrea Morello, o seu desenvolvimento é tão importante para esta área como o artigo escrito em 1998 por Bruce Kane, que iniciou o movimento de computação quântica de silício.

“Tal como o artigo de Kane, esta é uma teoria, uma proposta – o qubit ainda não foi construído”, explica. “Temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é totalmente viável, então estamos a trabalhar para demonstrá-lo. Mas considero que isto é tão visionário como o documento original de Kane”, acrescenta.

Descoberta visionária

O “qubit flip-flop” funciona ao codificar informações tanto no eletrão como no núcleo de um átomo de fósforo implantado dentro de um chip de silício e conectado com um padrão de elétrodos. De seguida, tudo é arrefecido até perto do zero absoluto

e banhada num campo magnético.

O valor do qubit é então determinado por combinações de uma propriedade binária chamada “spin” – se o spin for ‘up’ para um eletrão enquanto for ‘down’ para o núcleo, o qubit representa um valor global de 1. Ao contrário é um 0. Isto deixa a superposição dos estados de rotação para serem usados ​​em operações quânticas.

Controlo elétrico

Neste caso, os investigadores são capazes de controlar o qubit ao usar um campo elétrico em vez de sinais magnéticos – o que traz duas vantagens. É mais fácil integrar-se aos circuitos eletrónicos normais e, o mais importante, também significa que os qubits podem comunicar-se em maiores distâncias.

“Para operar este qubit, é preciso puxar o eletrão um pouco para longe do núcleo, usando os elétrodos no topo. Ao fazê-lo, também estamos a criar um dipolo elétrico”, diz Tosi.

“Este é o ponto crucial”, acrescenta Morello. “Estes dipolos elétricos interagem uns com os outros em distâncias bastante grandes, uma boa fração de um mícron ou mil nanómetros. Isto significa que agora podemos colocar os qubits de átomo único muito mais distantes do que se pensava possível”.

“Portanto, há espaço suficiente para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, elétrodos de controlo e dispositivos de leitura, mantendo a natureza precisa do átomo do bit quântico. É mais fácil de fabricar do que dispositivos de escala atómica, mas ainda nos permite colocar um milhão de qubits num milímetro quadrado”, explica.

O “qubit flip-flop” traduz-se num equilíbrio que poderia tornar os futuros computadores quânticos pequenos e potencialmente acessíveis. “É um design brilhante, e como muitos desses avanços conceituais, é incrível que ninguém tenha pensado nisto antes”, diz.

A investigação foi publicada na revista científica Nature Communications.

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