Construindo a Próxima Geração de Computadores com Emissores Quânticos e Lasers Infravermelhos

A história dos computadores está entrelaçada com a história da tecnologia moderna. Tudo começou no século XIX, quando, em 1801, um comerciante e inventor francês, Marie Jacquard, inventou um tear com cartões de madeira perfurados para tecer automaticamente padrões de tecido.

No entanto, o progresso mais significativo na computação automatizada desse século ocorreu quando o matemático inglês Charles Babbage concebeu uma máquina de cálculo movida a vapor capaz de calcular tabelas de números. A invenção mais revolucionária do século XX veio em 1936 de Alan Turing, um cientista e matemático britânico, que introduziu uma máquina universal, posteriormente chamada de Máquina de Turing. Cientistas afirmam que o conceito dos computadores modernos baseia‑se fundamentalmente nas ideias de Alan Turing.

Desde então, tem sido uma cadeia de progresso. Em 1939, David Packard e Bill Hewlett fundaram a Hewlett Packard Company, e em 1953, Grace Hopper desenvolveu a primeira linguagem de computador, COBOL, seguida por John Backus e sua equipe de programadores na IBM publicando um artigo descrevendo a recém‑criada linguagem de programação FORTRAN.

O fluxo de invenções que enriquece a tecnologia de computação ao longo dos anos tem se concentrado em múltiplos aspectos. Às vezes, foi o desenvolvimento de uma linguagem ou software inovador e, outras vezes, hardware crucial. Essas invenções continuam a acontecer, ajudando a construir a próxima geração de computadores, algo verdadeiramente ‘futurista’, no sentido mais puro do termo.

Nos segmentos a seguir, analisaremos duas dessas invenções que envolvem Emissores Quânticos e Lasers Infravermelhos. 

Rumo a uma Grande Descoberta: Um Computador Quântico Escalável

A conquista vem de uma equipe de pesquisadores liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Os pesquisadores afirmam ter tido sucesso em sua tentativa de usar uma camada de femtossegundos para criar e ‘aniquilar’ qubits dopando silício com hidrogênio. Eles enfatizaram que podem realizar esse procedimento sob demanda e com precisão. 

Mas, para conseguir compreender plenamente a importância da pesquisa, precisamos saber o que são qubits e por que são importantes!

A Necessidade de Conectar Bilhões de Qubits

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

A pesquisa agora mostrou uma maneira de potencializar computadores quânticos usando qubits ópticos programáveis ou ‘qubits spin-fóton’ que podem conectar nós quânticos através de uma rede remota. 

Ao explicar a importância da pesquisa e os resultados obtidos, Kaushalya Jhuria, pesquisadora de pós‑doutorado na Divisão de Tecnologia de Aceleradores & Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab, fez a seguinte observação:

“Para criar uma arquitetura ou rede quântica escalável, precisamos de qubits que possam se formar de forma confiável sob demanda, nos locais desejados, de modo que saibamos onde o qubit está localizado em um material. E é por isso que nossa abordagem é crítica. Porque, uma vez que sabemos onde um qubit específico está, podemos determinar como conectar esse qubit com outros componentes do sistema e criar uma rede quântica.”

Mas como a pesquisa alcança esse objetivo? Ela o faz formando qubits em silício com controle programável. 

A História dos ‘Centros de Cor’ de Silício e dos ‘Qubits Spin‑Fóton’

Com apoio do Office of Science do DOE, o estudo utilizou um ambiente gasoso para criar defeitos programáveis conhecidos como “centros de cor” no silício. Esses centros de cor são candidatos a “qubits spin‑fóton” ou qubits especiais de telecomunicações.

Quantum ou bit qubit é a unidade básica de informação quântica. Esse menor componente de um sistema de informação quântica codifica dados em 1, 0 ou tudo entre eles, o que é conhecido como superposição. Enquanto isso, os qubits spin‑fóton emitem fótons com a capacidade de transportar informações codificadas no spin do elétron por longas distâncias.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

Ao sondar os sinais ópticos (fotoluminescência) dos centros de cor resultantes usando um detector de infravermelho próximo com o objetivo de caracterizá‑los, a equipe encontrou um centro Ci, que é um emissor quântico. O centro Ci tem uma estrutura simples e propriedades de spin promissoras, sendo estável em temperatura ambiente, tornando‑o um candidato bastante impressionante de qubit spin‑fóton que emite fótons na banda de telecomunicações ou frequência. Segundo Jhuria:

“Sabíamos pela literatura que o Ci pode ser formado no silício, mas não esperávamos realmente criar esse novo candidato a qubit spin‑fóton com nossa abordagem.” 

Curiosamente, aumentar a intensidade do laser femtossegundo ao processar silício na presença de hidrogênio também pode aumentar a mobilidade do hidrogênio. Isso, por sua vez, passiva centros de cor indesejáveis enquanto deixa a rede de silício intacta.

Uma análise teórica também confirmou as observações experimentais de que o brilho do centro de cor Ci pode ser aprimorado substancialmente na presença de hidrogênio. Como explicou Jhuria, os pulsos de laser podem não apenas expulsar, mas também trazer de volta os átomos de hidrogênio, “permitindo a formação programável de qubits ópticos desejados em locais precisos.” 

Fabricar centros de cor de forma confiável é apenas o começo; agora, a equipe quer fazer diferentes qubits conversarem entre si e ver quais apresentam melhor desempenho. 

“A capacidade de formar qubits em locais programáveis em um material como o silício, que está disponível em escala, é um passo empolgante rumo a redes e computação quânticas práticas.”

– Cameron Geddes, Diretor da Divisão ATAP

A técnica será usada a seguir para incorporar qubits ópticos em dispositivos quânticos como guias de onda, bem como para encontrar novos candidatos a qubits spin‑fóton com propriedades otimizadas para aplicações selecionadas.

Novas Abordagens para Alcançar a Computação Quântica: Trabalhando com Moléculas

O campo da computação quântica ganhou tração significativa ao longo dos anos, com pesquisadores constantemente trabalhando para encontrar novas técnicas que a tornem viável. A manipulação de moléculas orgânicas é um campo estudado por seu potencial de aplicação na computação quântica. 

A equipe da TU Graz investigou como estimular moléculas competentes usando pulsos de luz infravermelha para criar pequenos campos magnéticos. Se essa técnica for desenvolvida com sucesso em experimentos, pode até ser utilizada em circuitos de computadores quânticos.

Isso ocorre porque a manipulação seletiva da luz infravermelha realmente possibilita controlar a direção e a intensidade do campo magnético. Ao fazer isso, as moléculas se tornam interruptores ópticos de alta precisão, que podem então ser usados para construir circuitos para um computador quântico, segundo Andreas Hauser, do Instituto de Física Experimental da TU Graz.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

Estimulação de Moléculas por Lasers Infravermelhos para Formar Campos Magnéticos

Quando irradiadas com luz infravermelha, as moléculas começam a vibrar devido ao fornecimento de energia. Utilizando esse fenômeno como ponto de partida, os físicos começaram a investigar se essas vibrações poderiam, de fato, ser usadas para gerar campos magnéticos.

Para seus cálculos, Hauser, junto com sua equipe, usou metal ftalocianinas como exemplo. A equipe descobriu que, devido à alta simetria dessas moléculas de corante aromático planar em forma de anel, elas geram pequenos campos magnéticos na faixa de nanômetros (< 1 nm) quando expostas a pulsos infravermelhos. Com base nisso, medir a intensidade do campo baixo, porém precisamente localizado, via espectroscopia de ressonância magnética nuclear deveria ser viável.

Além de se basear no trabalho dos primeiros dias da espectroscopia a laser, a equipe também utilizou a teoria moderna de estrutura eletrônica em supercomputadores para calcular como as moléculas ftalocianina macrocíclicas se comportam quando expostas à luz via luz infravermelha circularmente polarizada. 

A equipe descobriu que ondas de luz circularmente polarizada excitam duas vibrações moleculares simultaneamente em ângulos retos entre si. Comparando isso à técnica da rumba, Hauser explicou:

“A combinação correta de avançar‑recuar e esquerda‑direita cria um pequeno loop fechado. E esse movimento circular de cada núcleo atômico afetado realmente cria um campo magnético, mas apenas muito localmente, com dimensões na faixa de alguns nanômetros.”

Tudo isso é apenas teórico, porém. A equipe agora trabalhará para provar que campos magnéticos moleculares podem ser gerados de forma controlada experimentalmente para que possam realmente ser utilizados. 

Para o experimento, porém, eles precisam identificar um substrato que interaja minimamente com os processos alvo, já que aplicações futuras exigem posicionar a molécula ftalocianina em uma superfície. Fazer isso, no entanto, altera as condições físicas, o que então impacta a excitação provocada pela luz e as características do campo magnético.

Portanto, antes de poder ser realmente testado em experimentos, a equipe deve primeiro calcular a interação entre as ftalocianinas depositadas, a luz infravermelha e o material de suporte. Se o experimento confirmar as mudanças previstas nas constantes de blindagem magnética, o estudo afirma que isso pode ser visto como a primeira medição de um campo magnético criado vibratoriamente, com resolução intramolecular.

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Empresas que Avançam o Campo da Computação Quântica

Existem várias empresas, como Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) e D‑Wave, que estão trabalhando para avançar a computação quântica. A IBM é um nome proeminente que tem se concentrado na computação quântica há muitos anos. Recentemente, ela fez parceria com o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão (AIST) para ajudar este último a produzir um computador quântico contendo 10.000 qubits antes do final desta década. Portanto, em meio a todo esse desenvolvimento, vamos analisar mais detalhadamente alguns outros nomes importantes no setor:

#1. Google 

O gigante da tecnologia tem dedicado muito esforço à construção de computadores quânticos nos últimos anos. Em 2019, o Google demonstrou pela primeira vez que computadores quânticos poderiam executar um algoritmo que seria impossível para um supercomputador convencional enfrentar.

No ano passado, o processador quântico Sycamore do Google foi apresentado com 70 qubits, um salto em relação à sua versão anterior de 53 qubits. Isso o torna cerca de 241 milhões de vezes mais rápido e mais robusto que o modelo anterior. O novo computador quântico do Google, por sua vez, simula o comportamento de ímãs em grande detalhe e pode nos ajudar a obter uma compreensão mais profunda do magnetismo.

Em relação à computação quântica, o Google utiliza uma abordagem de pilha completa, que abrange a integração perfeita de componentes de hardware e software. A empresa está atualmente conduzindo uma competição global de 3 anos, com US$ 5 milhões, chamada XPRIZE Quantum Applications para avançar o campo dos algoritmos quânticos.

Com uma capitalização de mercado de US$ 2,2 trilhões, as ações do Google estão sendo negociadas a US$ 177,08, alta de 26,88% no ano. Possui um EPS (TTM) de 6,52, um P/E (TTM) de 27,18 e um rendimento de dividendos de 0,45%. No primeiro trimestre de 2024, a empresa registrou receitas de US$ 80,5 bilhões, alta de 15% em relação ao ano anterior, enquanto sua margem operacional aumentou para 32%.

#2. Dell 

Esta empresa de tecnologia também começou a dar passos concretos na computação quântica. Recentemente, a Dell introduziu uma plataforma híbrida clássico/quântica desenvolvida com a IonQ. Também anunciou uma colaboração com a Aramco para explorar avanços em computação quântica, IA e computação de borda. Juntas, Aramco e Dell visam enfrentar desafios complexos nos campos de otimização de energia, modelagem climática, ciência dos materiais e manutenção preditiva através da computação quântica.

De acordo com Catherine Doyle, diretora geral da Dell Technologies (DELL ) Ireland, a computação quântica também ajudará nos avanços de IA, pois “se tornará interligada no futuro próximo”.

Com uma capitalização de mercado de US$ 100,74 bilhões, as ações da Dell estão atualmente sendo negociadas a US$ 144,50, alta de 85,66% no ano. Possui um EPS (TTM) de 4,36, um P/E (TTM) de 32,55 e um rendimento de dividendos de 1,25%. No primeiro trimestre de 2024, a empresa registrou receitas de US$ 22,2 bilhões e lucro líquido de US$ 60 milhões.

Conclusão

A computação quântica tem sido uma área de interesse crescente para pesquisadores, organizações e governos. Devido à sua capacidade de oferecer alta velocidade, maior segurança, mais eficiência, simulação precisa e análise aprimorada, faz sentido que haja um foco crescente, juntamente com pesquisa e investimento contínuos, que podem finalmente fazer a computação quântica se tornar uma realidade e encontrar sua aplicação em diversos setores.

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