Vário saltos tecnológicos garantem a produção em série de computadores quânticos, acelerando o que era esperado em décadas.

Entre esses saltos estão o uso da luz em chips ópticos, a temperatura ambiente. O uso de novo estado da matéria na primeira Unidade de Processamento Quântico (QPU), e a produção modular de computadores quânticos fotônicos, em módulos como são hoje os computadores pessoais.  

A popularização de computadores quânticos com milhões de Qubits promoverá uma revolução maior do que tem sido a inteligência artificial e a computação tradicional. Maquinas quânticas podem acelerar descobertas e o desenvolvimento e testes na ciência e tecnologia por séculos e até o que seria possível somente em milhares de anos.

A computação quântica vai alterar a forma como lidamos com dados e resolvemos problemas científicos complexos. Trarão mais inovações que irão acelerar essa revolução tecnológica, resolver problemas complexos, como a descoberta de novos medicamentos e materiais revolucionários.

O uso de chips quânticos permite abordar questões insolúveis com a tecnologia convencional. Desde o diagnostico correto de doenças, até a solução definitiva.

Transformará áreas como a medicina, a produção de alimentos, a química e a engenharia, a produção de energia renovável, viagens espaciais de baixo custo e risco, inovações revolucionarias de transporte mais sustentável, melhoria das condições de vida nas cidades e das pessoas. Redução de impactos ambientais. Possibilita simulações e inovações que seriam impossíveis com os computadores tradicionais.

Vejamos algumas desses inovações que possibilitam a aceleração da época do uso popular do computador quântico não para o futuro, mas para a contemporaneidade.

1- Alcançado emaranhamento quântico em larga escala em um chip óptico

A equipe de pesquisadores da Universidade de Pequim anunciou a criação do primeiro emaranhamento quântico em larga escala em um chip óptico. Este feito marca um passo significativo em direção ao desenvolvimento de uma rede quântica mais compacta e acessível, potencialmente revolucionando a forma como as informações são compartilhadas.

O estudo chinês demonstra o uso de luz para gerar e controlar uma rede de estados quânticos interconectados, uma técnica que permite o controle preciso de partículas quânticas em um formato miniaturizado.

Publicado na revista Nature, pesquisadores chineses afirmaram ter realizado a primeira instância global de um estado emaranhado de aglomeração quântica de “variáveis contínuas” em um chip de luz integrado.

Este avanço pode abrir caminho para uma internet baseada em quântica, na qual as informações são transmitidas de maneira segura e eficiente, utilizando os princípios da física quântica para proteger os dados contra interceptações.

O impacto dessa pesquisa foi destacado por um revisor do estudo, que qualificou a realização como “um marco importante para a informação quântica escalável”.

Segundo o revisor, experimentos semelhantes já haviam sido tentados em outros países, como os Estados Unidos, Europa e Japão, mas a equipe da Universidade de Pequim conseguiu alcançar um nível de sucesso considerável, colocando a China na vanguarda desse campo de pesquisa.

O uso de chips ópticos em vez de tecnologias mais tradicionais pode representar uma mudança significativa na forma como os dispositivos quânticos são projetados e implementados, dado o tamanho e a eficiência dos componentes necessários.

Chips óticos podem se usados a temperatura ambiente, e ser facilmente integrados e produzidos em serie a baixo custo e baixo consumo de energia.

​A pesquisa chinesa superou uma limitação crucial. A preparação determinística e em larga escala desses estados quânticos enfrentava desafios experimentais, especialmente na criação e verificação de chips quânticos de luz baseados em variáveis contínuas, um obstáculo até então não superado internacionalmente.

Nova técnica permite integrar múltiplos Qubits e controlar estados

​O grupo desenvolveu técnicas inovadoras de controle de chips quânticos de luz com variáveis contínuas, além de aprimorar métodos de bombeio e detecção multicolorida. Isso permitiu a preparação de estados emaranhados de aglomeração de forma determinística e reconfigurável, com verificação experimental da estrutura de emaranhamento.

Wang Jianwei explicou que os bits quânticos podem ser criados em chips de luz por meio de codificação de variáveis discretas ou contínuas. A codificação de variáveis discretas, baseada em fótons únicos, é comum para produzir bits quânticos com alta fidelidade. No entanto, a taxa de sucesso diminui exponencialmente com o aumento do número de bits quânticos.

Para contornar esse problema, a equipe adotou a codificação de variáveis contínuas, resolvendo as limitações probabilísticas na geração de bits quânticos e estados emaranhados.

Pela primeira vez, foi possível produzir estados emaranhados de aglomeração de forma determinística em chips quânticos de luz.

2- Novo método para produção em massa de chips quânticos fotônicos

A empresa estadunidense de computação quântica PsiQuantum revelou um método que possibilita a fabricação de chips quânticos em massa.

O resultado foi o chipset Omega, criado para fins comerciais após passar por testes em laboratório da GlobalFoundries, em Nova York (EUA).

“O chipset contém todos os componentes avançados necessários para construir computadores quânticos em escala de milhões de qubits e cumprir a promessa de mudança profunda do mundo dessa tecnologia”, diz o comunicado da empresa.

A PsiQuantum iniciará a produção em massa dos chips ainda este ano nos chamados Quantum Compute Centers construídos em Brisbane (Austrália), e Chicago (EUA). As fábricas têm o mesmo tamanho de um data center.

Como funciona a tecnologia dos chips quânticos?

• O método é baseado no uso de fótons únicos — partículas de luz — que são, então, manipuladas usando tecnologia de chip fotônico de silício desenvolvida, originalmente, para aplicações de rede de telecomunicações e data center;
• Para aplicações quânticas, a empresa teve que introduzir um material supercondutor usado para detecção de fóton único altamente eficiente e Titanato de Bário (BTO, na sigla em inglês), material avançado para computação óptica de alta velocidade e baixa perda;
• Na prática, a instalação usa fótons como bits quânticos ou qubits que codificam informações, em vez de átomos, íons ou pequenos circuitos de metal supercondutor, como explica este artigo da revista Science;
• Além disso, a empresa criou sistema de resfriamento totalmente novo e específico para computadores quânticos, que elimina a necessidade de refrigerador de diluição, tornando o design mais simples e menos trabalhoso de ser fabricado.

Agora, a PsiQuantum trabalha para conectar os chips em sistemas cada vez maiores, os chamados racks, em parceria com o Departamento de Energia do Acelerador Linear de Stanford em Palo Alto, na Califórnia (EUA).

3- Anunciado Primeiro computador quântico fotônico totalmente modular

A empresa emergente canadense Xanadu Quantum Technologies anunciou ter construído o primeiro computador quântico fotônico modular, e garante que seu protótipo já pode ser conectado em rede, o que significa que ele permite fabricar computadores quânticos com maior poder de processamento por meio da interligação de componentes básicos.

A Xanadu afirma ter adotado uma arquitetura modular, como os computadores eletrônicos atuais, em que múltiplas peças e placas são interconectadas para fazer o computador inteiro funcionar.

A ideia básica consiste em construir um circuito básico central usando apenas alguns qubits, o suficiente para as aplicações mais simples. Conforme as necessidades surgirem, outras placas poderão ser adicionadas, aumentando o poder de processamento do computador quântico.

A equipe afirma que milhares de placas poderiam ser conectados por meio de fibras ópticas, criando um computador quântico fotônico com capacidades de processamento inatingíveis hoje com as outras plataformas.

Todo o sistema é baseado em fótons, eliminando a necessidade de conectar partes ópticas, baseadas em fótons, com peças tradicionais eletrônicas, baseadas em elétrons.

Escalabilidade, correção de erros, integração, baixo consumo de energia a temperatura ambiente

O protótipo de demonstração, chamado Aurora, consiste em 35 chips fotônicos, somando 12 qubits, tudo interligado por 13 km de fibra óptica, mas tudo operando em temperatura ambiente, ou seja, sem a necessidade dos tradicionais refrigeradores criogênicos, no interior dos quais computadores quânticos como os da IBM e do Google funcionam.

“A fotônica realmente é a melhor e mais natural maneira de computar e fazer rede. Agora poderíamos, em princípio, escalonar para milhares de racks de servidores e milhões de qubits, mas primeiro focaremos no desempenho para reduzir perdas e ser tolerante a falhas,” disse o pesquisador Christian Weedbrook, fundador da empresa.

Na verdade, o protótipo resolve o primeiro grande desafio da computação quântica, a escalabilidade, que, em última instância, representa a capacidade de colocar os processadores quânticos em rede. Os dois outros grandes desafios são a tolerância a falhas e a correção de erros.

4- Apresentado Primeiro Processador Quântico produzido em série

A empresa Microsoft apresentou um processador quântico, chamado Majorana 1, que é diferente de tudo o que seus concorrentes.

É a primeira Unidade de Processamento Quântico (QPU) alimentada por um núcleo topológico, uma plataforma que usa materiais especiais, conhecidos como isolantes topológicos, nos quais os elétrons migram para a borda do material e fluem em uma direção definida sem restrições.

Nessa rara “supercondutividade de borda”, os elétrons fluem sem atrito, deslizando sem esforço em torno de obstáculos enquanto se mantiverem em um fluxo no perímetro. No interior, porém, o material continua sendo um isolante – a descoberta deste fenômeno recebeu o Nobel de Física em 2016.

Outro detalhe crucial é que nesses “supercondutores topológicos” – ou topocondutores – emergem os chamados férmions de Majorana de modo zero, quasipartículas que podem funcionar como qubits tolerantes a falhas e imunes a ruídos porque essas partículas ficam protegidas contra perturbações, na verdade criando os qubits mais robustos que se tem notícia.

O que ninguém esperava era que essa plataforma emergente, que os físicos garantem ser essencialmente um novo estado da matéria, virasse um processador quântico real em tão pouco tempo.

“Ele tira proveito do primeiro topocondutor do mundo, um tipo inovador de material que pode observar e controlar partículas de Majorana para produzir qubits mais confiáveis e escaláveis, que são os blocos de construção dos computadores quânticos,” anunciou a empresa, acrescentando que a arquitetura deverá permitir a integração e uso de milhões de qubits.

Processador quântico com partículas de majorana

O chip usa componentes fabricados com uma combinação de arsenieto de índio (um semicondutor) e alumínio (um supercondutor). Quando resfriados próximo ao zero absoluto e devidamente controlados com campos magnéticos, esses componentes formam nanofios supercondutores topológicos com majoranas de modo zero (MZM: Majorana Zero Modes) nas extremidades dos fios – são os qubits de Majorana.

“Por quase um século, essas quasipartículas existiam apenas em livros didáticos. Agora, podemos criá-las e controlá-las sob demanda em nossos topocondutores. MZMs são os blocos de construção dos nossos qubits, armazenando informações quânticas por meio de ‘paridade’ – se o fio contém um número par ou ímpar de elétrons.

Nos supercondutores convencionais, os elétrons se ligam em pares de Cooper e se movem sem resistência. Qualquer elétron desemparelhado pode ser detectado porque sua presença requer energia extra.

Nossos topocondutores são diferentes: Aqui, um elétron desemparelhado é compartilhado entre um par de MZMs, tornando-o invisível para o ambiente. Essa propriedade única protege as informações quânticas,” detalhou Chetan Nayak, um dos projetistas do novo processador quântico.

Esta nova arquitetura oferece um caminho muito mais promissor para empacotar um milhão de qubits em um único chip que pode caber na palma da mão – este é um limite necessário para que os computadores quânticos forneçam soluções transformadoras do mundo real, segundo a Microsoft.

Processador e chips quânticos em série e a massificação quântica

Produção em série do processador e chips quânticos possibilitam massificação do Computador quântico. A hegemonia quântica antecipada em muitas décadas.

Esses feitos notáveis da ciência e tecnologia abrem as portas para a humanidade experimentar transformações em uma década o que somente alcançaria em séculos, talvez milhares de anos.

Com a construção de chips em série com Qubits de luz, o domínio das redes de Qubits segura e estáveis a temperatura ambientam tornam realidade o que se imaginava ser ficção.

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A reprodução de matérias é livre mediante a citação do título do texto com link apontando para este texto. Crédito do site Nature & Space 

COMPUTADORES QUANTICOS EM MASSA COM SALTOS TECNOLÓGICOS

Fonte

Revista: Nature Physics
Artigo: Scaling and networking a modular photonic quantum computer

DOI: 10.1038/s41586-024-08406-9

Revista: Nature

Artigo: Interferometric single-shot parity measurement in InAs-Al hybrid devices
DOI: 10.1038/s41586-024-08445-2

Site Inovação Tecnológica

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Microsoft apresenta processador quântico revolucionário

Olhar Digital

Chips quânticos que confundem até IA serão fabricados em massa