Nova estrutura de silício abre portas aos computadores quânticos

Qual será o futuro da computação? Para onde irá evoluir a tecnologia por trás destas máquinas que hoje são quem gerem o mundo?

Numa investigação realizada na Universidade de Princeton, cientistas demonstraram a capacidade de controlar com precisão o comportamento de dois bits quânticos, abrindo assim a porta para a criação de dispositivos complexos e multi-qubit. Os computadores quânticos podem estar "ao virar da esquina" para uso mais corrente.

Este desenvolvimento é um passo importante para fazer um computador quântico recorrendo a materiais quotidianos. Esta investigação foi liderada por investigadores da Universidade de Princeton que construiu uma peça chave de hardware de silício capaz de controlar o comportamento quântico entre dois eletrões com extrema precisão. O estudo foi publicado no dia 7 de dezembro na revista Science.

Processo de criação

A equipa construiu um portão que controla as interações entre os eletrões de uma maneira que lhes permite atuar como os bits quânticos de informação, ou qubits, necessários para a computação quântica. A demonstração deste portão quase sem erros de dois qubits é um passo inicial importante na construção de um dispositivo de computação quântica mais complexo a partir de silício, o mesmo material usado nos computadores convencionais e smartphones.

Sabíamos que precisávamos que esta experiência funcionasse se a tecnologia baseada em silício fosse ter um futuro em termos de expansão e construção de um computador quântico. A criação deste portão de dois qubits de alta-fidelidade abre a porta para experiências em grande escala.

Salientou Jason Petta, professor de física da Universidade de Princeton.

Os dispositivos baseados em silício provavelmente serão menos caros e fáceis de fabricar do que outras tecnologias para alcançar um computador quântico. Embora outros grupos de investigação e empresas tenham anunciado dispositivos quânticos contendo 50 ou mais qubits, esses sistemas requerem materiais exóticos, como supercondutores ou átomos carregados mantidos no local por lasers.

Computador Quântico da Google

Computação quântica no nosso dia-a-dia...

Os computadores quânticos podem resolver problemas que são inacessíveis através de computadores convencionais. Os dispositivos podem gerar números extremamente grandes ou encontrar soluções ótimas para problemas complexos. Além disso, também podem ajudar os investigadores a perceber as propriedades físicas de partículas extremamente pequenas, como átomos e moléculas, levando a avanços em áreas como ciência de materiais e descoberta de drogas/medicamentos.

Construir um computador quântico exige que os investigadores criem qubits e os acoplem uns aos outros com alta-fidelidade. Os dispositivos quânticos baseados em silício usam uma propriedade quântica de eletrões chamada de "rotação" para manipular informações. A rotação pode apontar para cima ou para baixo de maneira análoga aos polos norte e sul de um íman. Em contraste, os computadores convencionais funcionam manipulando a carga negativa do eletrão.

Alcançar um dispositivo quântico baseado em rotação de alto desempenho foi dificultado pela fragilidade dos estados de rotação - eles desviam-se facilmente de cima para baixo ou vice-versa, a menos que possam ser isolados num ambiente muito puro. Ao construir os dispositivos quânticos de silício no Laboratório de Nanofabrico de Dispositivos Quânticos de Princeton, os cientistas conseguiram manter as rotações coerentes - isto é, nos seus estados quânticos - por períodos de tempo relativamente longos.

Para construir o portão de dois qubits, a equipa colocou minúsculos fios de alumínio num cristal de silício altamente ordenado. Os fios fornecem tensões que prendem dois eletrões simples, separados por uma barreira de energia, numa estrutura perfeita, chamada de ponto quântico duplo.

Computadores com superpoderes

Ao reduzir temporariamente a barreira de energia, a ação permite que os eletrões partilhem informações quânticas, criando um estado quântico especial, chamado entrelaçamento quântico. Esses eletrões presos e entrelaçados já estão prontos para uso como qubits, que são como bits de computador convencionais, mas com "superpoderes". Isto porque enquanto um bit convencional pode representar um zero ou um 1, cada qubit pode ser simultaneamente um zero e um 1, ampliando o número de permutações possíveis que podem ser comparadas instantaneamente.

A investigação mostrou que podem manter as rotações dos eletrões nos seus estados quânticos com uma fidelidade superior a 99% e que o portão trabalha de forma confiável para virar a rotação do segundo qubit cerca de 75% do tempo. A tecnologia tem o potencial de se escalar para mais qubits com taxas de erro ainda menores.

Assim, o uso de tecnologias e materiais mais "baratos" irá permitir que a computação quântica possa ser trazida para cenários do dia-a-dia e adaptada a necessidades onde nesta momento são usados computadores convencionais. Estamos então a falar em obter resultados muito acima do que estamos habituados a ter. A mudança poderá ser colossal.

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