Pesquisadores do Instituto Niels Bohr e do Leti afirmam que matriz bidimensional de pontos quânticos é um passo em direção à computação quântica prática

Postado em 04/01/2021 por Maria Heloísa

Computação quântica, Tecnologia

Imagem eletrônica de varredura (a) de um dos dispositivos de pontos quânticos fabricados por fundição. Quatro pontos quânticos podem ser formados no silício (cinza escuro), usando quatro fios de controle independentes (cinza claro). Esses fios são os botões de controle que ativam as chamadas portas quânticas. (b) Esquema do dispositivo de matriz bidimensional, no qual cada qubit (círculo vermelho) pode interagir com seu vizinho mais próximo na rede bidimensional e contornar um qubit que falha por razões diversas. (Crédito: Fabio Ansaloni)

Um dos obstáculos para o progresso na busca por um computador quântico funcional é o pequeno número de sistemas que conseguem produzir qubits, muitas vezes feitos por universidades. Mas nos últimos anos, uma colaboração pan-europeia, em parceria com o líder francês em microeletrônica CEA-Leti, tem explorado os transistores cotidianos – que estão presentes aos bilhões em celulares – para uso na produção de qubits.

A empresa francesa Leti fabrica pastilhas gigantes repletas de dispositivos e, após medição, pesquisadores do Instituto Niels Bohr (Universidade de Copenhague) descobriram que esses sistemas produzidos industrialmente são adequados como uma plataforma de bits quânticos capaz de mudar para a 2ª dimensão, um passo significativo para um computador quântico funcional, de acordo com um comunicado à imprensa. O resultado já está publicado na revista Nature Communications.

Pontos quânticos em matriz bidimensional é um salto à frente

Um dos elementos-chave dos dispositivos é a matriz bidimensional de pontos quânticos. Ou, mais precisamente, uma rede 2×2 de pontos quânticos.

“O que demonstramos é que conseguimos realizar o controle de um único elétron em cada um desses pontos quânticos. Isso é muito importante para o desenvolvimento de um qubit, porque uma das formas possíveis de fazer qubits é usar o spin de um único elétron. Então atingir esse objetivo de controlar os elétrons individuais e fazê-lo em uma matriz 2D de pontos quânticos foi muito importante para nós ”

diz Fabio Ansaloni, ex-aluno de doutorado, agora pós-doutorado no Centro para Dispositivos Quânticos do Instituto Niels Bohr.

O uso de spins de elétrons tem se mostrado vantajoso para a implementação de qubits. De fato, sua natureza “silenciosa” faz os spins interagirem fracamente com o ambiente barulhento, um requisito importante para obter qubits de alto desempenho.

Ampliar processadores de computadores quânticos para a 2ª dimensão provou ser essencial para uma implementação mais eficiente de rotinas de correção de erros quânticos.  A correção de erros quânticos permitirá que futuros computadores quânticos sejam tolerantes às falhas ocorridas em qubits individuais durante os cálculos.

A importância da produção em escala industrial

A professora assistente do Centro para Dispositivos Quânticos do Instituto Niels Bohr, Anasua Chatterjee acrescenta: “A ideia original era fazer uma matriz de qubits de spins, reduzir os elétrons a um único elétron e ser capaz de controlá-los e movê-los.  Nesse sentido é muito bom que o Leti tenha conseguido concretizar as amostras que utilizamos, o que por sua vez nos permitiu alcançar este resultado.  Muito crédito vai para o consórcio do projeto pan-europeu e o financiamento generoso da UE, ajudando-nos a evoluir lentamente do nível de um único ponto quântico com um único elétron para em seguida ter dois elétrons, e agora passando para as matrizes bidimensionais. Matrizes bidimensionais são uma meta realmente grande, porque está começando a parecer algo que você absolutamente precisa para construir um computador quântico.  Então Leti tem se envolvido com uma série de projetos ao longo dos anos, que contribuíram para esse resultado ”.

O crédito por chegar tão longe pertence a muitos projetos em toda a Europa

O desenvolvimento foi gradual. Em 2015, pesquisadores em Grenoble conseguiram elaborar o primeiro qubit de spin, mas isso foi baseado em buracos, não elétrons. Naquela época, o desempenho dos dispositivos feitos no “regime de buraco” não era ideal, e a tecnologia avançou de forma que os sistemas agora no Instituto Niels Bohr podem ter matrizes bidimensionais no regime de elétron único. O progresso é tríplice, explicam os pesquisadores: “Em primeiro lugar, produzir os dispositivos em uma fundição industrial é uma necessidade. A escalabilidade de um processo industrial moderno é essencial à medida em que começamos a fazer matrizes maiores, por exemplo, para pequenos simuladores quânticos. Em segundo lugar, ao construir um computador quântico, você precisa de uma matriz em duas dimensões e precisa de uma maneira de conectar o mundo externo a cada qubit. Se você tiver 4-5 conexões para cada qubit, rapidamente acabará com um número irreal de fios fora da configuração de baixa temperatura. Mas o que conseguimos mostrar é que podemos ter uma porta quântica por elétron, e você pode ler e controlar com a mesma porta. E, por último, usando essas ferramentas fomos capazes de mover e trocar elétrons únicos de maneira controlada em todo a matriz, um desafio em si. ”

Matrizes bidimensionais conseguem controlar erros

O controle de erros que ocorrem nos dispositivos é um capítulo à parte.  Os computadores que usamos hoje geram muitos erros, mas eles são corrigidos por meio do que é chamado de código de repetição.  Em um computador convencional, você pode ter a informação em 0 ou 1. Para ter certeza de que o resultado de um cálculo está correto, o computador repete o cálculo e se um transistor comete um erro, ele é corrigido por maioria simples.  Se a maioria dos cálculos realizados em outros transistores apontar para 1 e não 0, então 1 é escolhido como resultado.  Isso não é possível em um computador quântico, pois você não pode fazer uma cópia exata de um qubit, então a correção de erro quântico funciona de outra maneira: qubits físicos de última geração ainda não têm uma taxa de erro baixa, mas se uma quantidade suficiente deles forem combinados na matriz 2D, eles podem manter um ao outro sob controle, por assim dizer.  Esta é outra vantagem da matriz 2D agora alcançada.

O próximo passo dessa etapa

O resultado obtido no Instituto Niels Bohr mostra que agora é possível controlar elétrons individualmente e realizar o experimento na ausência de um campo magnético. Então o próximo passo será procurar spins – spins típicos – na presença de um campo magnético.  Isso será essencial para implementar portas quânticas de um e dois qubits entre os qubits individuais na matriz.  A teoria tem mostrado que um punhado de portas quânticas de um e dois qubits, consideradas um conjunto completo de portas quânticas, são suficientes para viabilizar a computação quântica universal.

Tradução autorizada de texto publicado pelo The Quantum Daily. Disponível em: https://thequantumdaily.com/2020/12/31/niels-bohr-institute-leti-researchers-say-two-dimensional-quantum-dot-array-is-a-step-toward-practical-quantum-computing/. Acesso em 03 de janeiro de 2021.

image_pdfimage_print
Compartilhar:

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *