Pesquisadores na Bélgica avançam para a produção industrial de qubits

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Shana Massar, engenheira do programa de computação quântica do Imec, afirma: "O objetivo dos computadores quânticos não é substituir nossos já conhecidos computadores clássicos para realizar nossas tarefas diárias. Precisamos de computadores quânticos para um conjunto muito particular de problemas, problemas que alto grau de complexidade”.

Um exemplo de caso de uso para computação quântica é resolver problemas de otimização; outra é a simulação de sistemas moleculares. Isso pode ser feito para obter uma melhor compreensão da ciência dos materiais e também para ajudar a descobrir novos medicamentos.

Em um computador quântico, a informação é manipulada de maneira fundamentalmente diferente do que em um computador clássico. Em um computador clássico, o elemento lógico é um bit, que pode assumir um de dois estados: zero ou um. Em um computador quântico, o elemento lógico é um qubit, ou bit quântico, definido como qualquer sistema coerente de dois níveis que pode ser inicializado, manipulado e lido.

“Se eu olhar para o estado de um bit, o estado é zero ou um e isso leva a uma medição determinística, enquanto o qubit tem uma superposição de estado”, diz Massar.

"É uma combinação linear de zero e um simultaneamente. Mas, após a leitura, é zero ou um junto com uma certa probabilidade - e isso leva à medição probabilística.

"O computador quântico tem outra característica, emaranhamento. Os estados de bit clássicos são independentes uns dos outros, o que leva ao fato de que N bits armazenam N estados. Mas qubits podem ser emaranhados. Eles podem ser acoplados, o que significa que N qubits podem 'processar ' em certo sentido, até dois à potência de N estados. Quando aplicamos uma operação lógica a todos esses estados ao mesmo tempo, obtemos paralelização massiva e um poder computacional muito alto."

Mas nenhuma dessas promessas da computação quântica jamais se concretizará até que alguém encontre uma maneira de produzir qubits confiáveis ​​de maneira repetível. Atualmente, os Qubits são implementados em laboratórios de maneira personalizada, mas os pesquisadores do Imec gostariam de mudar isso. Eles começaram a procurar maneiras de produzir qubits em escala industrial.

“Para construir um sistema de um milhão de qubits, ou apenas um computador quântico significativo, você precisa reduzir a variabilidade de qubits e aumentar o rendimento da produção, mantendo a fidelidade e a coerência”, diz Kristiaan De Greve, diretor científico e diretor de programa da Quantum Informática no Imec.

"Os métodos que alguns dos melhores laboratórios de pesquisa do mundo vêm usando provavelmente não permitirão que você vá até o fim. Temos uma abordagem diferente e estamos tentando ver se podemos usar as ferramentas existentes da indústria de semicondutores, onde eles produziram circuitos muito complexos, com baixa variabilidade e alto rendimento."

Existem várias abordagens diferentes para a implementação de qubits: óptica quântica, íons aprisionados, ressonância magnética, supercondutores, vacância de nitrogênio em diamante e pontos quânticos. Os pesquisadores do Imec concentram-se em duas tecnologias – os dispositivos supercondutores e os pontos quânticos semicondutores.

Uma razão para essas escolhas é que o Imec vê essas tecnologias como maneiras promissoras de criar qubits de alta qualidade. Mas a segunda razão – a maior razão para o Imec – é que os qubits nessas duas tecnologias podem ser fabricados de uma forma que seja compatível de primeira ordem com instalações complementares de semicondutores de óxido metálico (CMOS), instalações que a Imec possui em altíssima qualidade.

Um desafio com ambas as abordagens é que elas operam em temperaturas muito baixas. Por isso, o Imec também faz pesquisas em crioeletrônica, eletrônica que pode trabalhar em temperaturas muito baixas.

O Imec visa construir qubits e matrizes de qubit adequados e estáveis, juntamente com as interfaces eletrônicas necessárias, que permitem aos programadores configurar os qubits para executar um programa e, em seguida, ler os resultados.

Para descobrir técnicas de produção ideais, o Imec estabeleceu um processo de pesquisa, onde eles experimentam diferentes materiais, arquiteturas e técnicas de produção para produzir qubits e, em seguida, testam os resultados para medir quais técnicas funcionam melhor.