Indo além dos Qubits: grupo da Universidade de Sydney diz ter dado grande passo na evolução dos computadores quânticos

Postado em 11/02/2021 por Maria Heloísa

Computação quântica

A plataforma de controle com o chip criogênico para controlar milhares de qubits. A invenção ajudará os engenheiros quânticos a superarem o obstáculo do modelo input-output, o qual impede que as máquinas quânticas evoluam para dispositivos úteis.

Através da parceria da Microsoft com a Universidade, o professor David Reilly e colegas inventaram um dispositivo que opera a uma temperatura 40 vezes mais fria que a do espaço sideral para controlar diretamente milhares de qubits, os elementos estruturais da tecnologia quântica.

Cientistas e engenheiros da Universidade de Sydney e da Microsoft Corporation abriram um próximo capítulo em tecnologia quântica com a invenção de um único chip capaz de gerar sinais de controle para milhares de qubits.

“Para alcançar o potencial da computação quântica, as máquinas precisarão operar milhares (se não milhões) de qubits”

relatou o professor David Reilly, projetista do chip quem detém uma posição conjunta com ambas as instituições supracitadas.

“Os maiores computadores quânticos do mundo operam atualmente com apenas 50 ou mais qubits”, disse ele. “Esta escala reduzida deve-se em parte aos limites da arquitetura física que controla os qubits.

Nosso novo chip põe um fim a esses limites”.

Os resultados foram publicados na revista científica Nature Electronics.

A maioria dos sistemas quânticos requer a presença de bits quânticos, ou qubits, para operar a temperaturas próximas ao zero absoluto (-273,15 °C). Isto é para evitar que eles percam sua ‘quanticidade’, o caráter de matéria ou luz necessário para que computadores quânticos consigam realizar seus cálculos especializados.

Para que os dispositivos quânticos possam fazer qualquer coisa útil, eles precisam de instruções. Isso significa enviar e receber sinais eletrônicos oriundos de qubits bem como destinados a qubits também. Com a arquitetura quântica atual, isso exige o uso de muitos fios.

“As máquinas atuais utilizam uma bela variedade de fios para controlar os sinais; semelhante a um ninho de aves dourado ou um lustre. Eles são bonitos, mas fundamentalmente pouco práticos. Isso significa que não podemos evoluir as máquinas ao ponto de realizarem cálculos úteis. Há um verdadeiro obstáculo no modelo input-output”

afirmou Reilly, também Pesquisador Chefe do Centro de Engenharia de Sistemas Quânticos (EQUS) do Conselho Australiano de Pesquisas (ARC).

“ISTO MUDA TUDO PARA A COMPUTAÇÃO QUÂNTICA”.

O Engenheiro de Hardware Sênior da Microsoft, Dr. Kushal Das, um inventor conjunto do chip, alegou: “Nosso dispositivo elimina todos esses cabos. Com apenas dois cabos transportando informações como input, ele é capaz de gerar sinais de controle para milhares de qubits.

Isto muda tudo para a computação quântica”.

O chip de controle foi desenvolvido nos Laboratórios quânticos da Microsoft na Universidade de Sydney, uma parceria acadêmico-industrial única que está mudando a maneira como os cientistas enfrentam os desafios de engenharia.

“A construção de um computador quântico é talvez a missão de engenharia mais desafiadora da engenharia do século 21. Isto não pode ser alcançado trabalhando com uma equipe pequena em um laboratório universitário em um único país, mas precisa da dimensão proporcionada por um gigante tecnológico global como a Microsoft”

disse Reilly.

“Através de nossa parceria com a Microsoft, nós não apenas sugerimos uma arquitetura teórica para superar o problema input-output, nós a construímos”.

“Demonstramos isso projetando um chip de silício personalizado e acoplando-o a um sistema quântico”, disse ele. “Estou confiante para dizer que este é o circuito integrado mais avançado já construído para operar a temperaturas criogênicas extremas”.

Se concretizados, os computadores quânticos prometem revolucionar a tecnologia da informação ao resolver problemas que vão além do escopo dos computadores clássicos em campos tão diversos como criptografia, medicina, finanças, inteligência artificial e logística.

O “empilhamento” necessário para uma máquina quântica que seja útil: O professor David Reilly está trabalhando com cientistas da Microsoft em todo o mundo para tornar realidade um computador quântico universal e tolerante a falhas. O dispositivo que ele inventou opera na interface entre sistemas clássicos e quânticos. Fonte: Microsoft.

Orçamento de potência

Os computadores quânticos estão em um estágio semelhante ao dos computadores clássicos nos anos 40. Máquinas como a ENIAC, o primeiro computador eletrônico do mundo, exigiam salas de sistemas de controle para realizar qualquer função útil.

Levou décadas até que superassem os desafios científicos e de engenharia que agora permitem que bilhões de transistores caibam em seu telefone celular.

“Nossa indústria talvez esteja enfrentando desafios ainda maiores para levar a computação quântica além do estágio da ENIAC”

comparou Reilly.

“Precisamos engendrar chips de silício altamente complexos que operem a 0,1 Kelvin”, relatou ele. “Esse é um ambiente 30 vezes mais frio do que o espaço sideral”.

A pesquisa de doutorado de Sebastian Pauka na Universidade de Sydney abrangeu grande parte do trabalho de interface de dispositivos quânticos com o chip. Ele disse: “Operar a temperaturas tão frias significa que temos um orçamento de potência incrivelmente baixo. Se tentarmos colocar mais energia no sistema, nós iremos superaquecer tudo isso”.

Para alcançar o resultado esperado, os cientistas de Sydney e da Microsoft construíram o circuito integrado mais avançado existente para operar a temperaturas criogênicas.

“Fizemos isto através da criação de um sistema que opera intimamente próximo aos qubits sem perturbar as operações destes”

explicou o professor Reilly.

“Os sistemas de controle de qubits atuais estão metros de distância afastados da ação, por assim dizer. Eles existem em sua maioria à temperatura ambiente.

Em nosso sistema não temos que nos afastar da plataforma criogênica. O chip está ali mesmo com os qubits. Isto significa menor potência e maior velocidade. É um verdadeiro sistema de controle para a tecnologia quântica”.

Anos de criação

“Trabalhar em como controlar esses dispositivos leva anos de desenvolvimento de engenharia”, afirmou o professor Reilly.

“Para este dispositivo, começamos há quatro anos quando a Universidade de Sydney iniciou sua parceria com a Microsoft, representando o maior investimento em tecnologia quântica da Austrália.

Construímos muitos modelos e projetamos bibliotecas para capturar o comportamento de transistores a temperaturas criogênicas extremas. Depois tivemos que construir dispositivos, verificá-los, caracterizá-los e finalmente conectá-los a qubits para vê-los funcionar na prática”.

O Vice-Reitor e Diretor da Universidade de Sydney, professor Stephen Garton, pronunciou: “Toda a comunidade universitária está orgulhosa do sucesso do professor Reilly e esperamos ansiosamente por muitos anos de parceria contínua com a Microsoft”.

O professor Reilly disse que o assunto agora mudou essencialmente. “Não se trata apenas de ‘aqui está meu qubit’. Trata-se de como você concebe todas as camadas e toda a tecnologia para construir uma máquina real.

Nossa parceria com a Microsoft nos permite trabalhar com rigor acadêmico, com o benefício de ver nossos resultados sendo rapidamente colocados em prática”.

O vice-reitor (Pesquisa), professor Duncan Ivison, proferiu: “Nossa parceria com a Microsoft tem realizado a visão encorajada por David Reilly para viabilizar a tecnologia quântica. É ótimo ver essa visão se tornando uma realidade”.

“Se tivéssemos permanecido apenas no meio acadêmico, este chip nunca teria sido construído”

declarou o professor Reilly.

O cientista australiano disse que não irá parar por aí.

“Estamos apenas começando esta nova onda de inovação quântica”, disse ele. “A grande questão da parceria é que nós não apenas publicamos um artigo e seguimos em frente. Agora podemos continuar com o projeto para concretizar a tecnologia quântica em escala industrial”.

Esta pesquisa foi apoiada pela Microsoft Corporation e pelo Centro de Excelência do Conselho Australiano de Pesquisa para Engenharia de Sistemas Quânticos. Agradecemos as instalações, assim como a assistência científica e técnica da Fundição de Pesquisa e Protótipo, um Núcleo de Pesquisa da Universidade de Sydney, e parte da Instalação de Fabricação nacional australiana (ANFF).

– Da Universidade de Sidney.

Tradução autorizada de texto publicado pelo The Quantum Daily. Disponível em: https://thequantumdaily.com/2021/02/04/beyond-qubits-university-of-sydneys-quantum-team-say-theyve-taken-huge-step-forward-in-scaling-up-quantum-computers/. Acesso em 10 de fevereiro de 2021.

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