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

A história dos computadores está ligada à evolução da automação. Em 1801, o francês Joseph Marie Jacquard demonstrou um tear controlado por cartões perfurados, capaz de reproduzir padrões de tecelagem.

No século XIX, Charles Babbage projetou máquinas mecânicas para calcular tabelas e executar operações programadas. Em 1936, Alan Turing descreveu um modelo teórico de computação universal, hoje conhecido como máquina de Turing. Essas ideias ajudaram a estabelecer os fundamentos da computação moderna.

Em 1939, David Packard e Bill Hewlett fundaram a Hewlett-Packard. Na década de 1950, Grace Hopper desenvolveu compiladores pioneiros e contribuiu para as ideias que levaram ao COBOL, definido em 1959. Na IBM, a equipe de John Backus desenvolveu o FORTRAN, disponibilizado em 1957.

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. 

Um passo rumo a computadores quânticos escaláveis

Uma equipe liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory investigou como pulsos de um laser de femtossegundos e a presença de hidrogênio podem controlar a formação de centros emissores em silício. A técnica permite ativar ou desativar centros ópticos em locais escolhidos, candidatos a componentes de futuros sistemas quânticos. 

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

Conectar qubits em redes

Computadores quânticos podem oferecer vantagens em problemas específicos de simulação e cálculo, com possíveis aplicações em medicamentos, materiais e inteligência artificial. Isso não significa que sejam milhões de vezes mais rápidos em qualquer tarefa. Para ampliar esses sistemas, será necessário controlar e conectar muitos qubits, ou bits quânticos, mantendo a qualidade das operações e das conexões.

A pesquisa apresentou uma maneira de formar emissores ópticos programáveis em silício. Centros com propriedades adequadas podem servir como interfaces entre spins e fótons para conectar nós de uma rede quântica; a fabricação de emissores ainda não equivale à construção dessa rede. 

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. 

Centros de cor no silício e interfaces entre spins e fótons

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.

Um qubit é a unidade básica de informação quântica. Seu estado pode ser uma superposição dos estados de base 0 e 1, com amplitudes e fases, e não um valor clássico intermediário. Uma interface entre spin e fóton permite associar informação de spin a fótons que podem viajar entre nós de uma rede.

A equipe utilizou um laser ultrarrápido para atuar em pequenas regiões do silício. Os pulsos têm duração na escala de femtossegundos; um femtossegundo corresponde a 10⁻¹⁵ segundo.

Ao analisar a fotoluminescência com um detector de infravermelho próximo, os pesquisadores identificaram o centro Ci. Sua estrutura simples, estabilidade à temperatura ambiente e propriedades de spin o tornam um candidato a interface spin–fóton com emissão na faixa de telecomunicações. Isso não demonstra, por si só, um computador quântico operando à temperatura ambiente. 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 equipe pretende incorporar os emissores em estruturas como guias de onda e investigar candidatos a interfaces spin–fóton com propriedades adequadas a diferentes aplicações.

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. 

Pesquisadores da TU Graz calcularam como moléculas adequadas poderiam ser estimuladas por pulsos infravermelhos para produzir campos magnéticos muito localizados. A aplicação em circuitos quânticos depende de confirmação experimental e desenvolvimento adicional.

Segundo Andreas Hauser, do Instituto de Física Experimental da TU Graz, o controle da luz infravermelha poderia permitir ajustar a direção e a intensidade desses campos. Isso abre a possibilidade de interruptores ópticos moleculares, ainda em fase de pesquisa.

Embora relações entre vibrações moleculares e magnetismo sejam conhecidas na espectroscopia, o estudo investigou como excitar modos vibracionais específicos para controlar campos magnéticos dentro de uma molécula.

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.

Nos cálculos, a equipe usou ftalocianinas metálicas, moléculas aromáticas planas em forma de anel. Sua simetria permite excitar movimentos que podem gerar campos magnéticos localizados na escala nanométrica. As alterações previstas na blindagem magnética dos núcleos poderiam ser investigadas por espectroscopia de ressonância magnética nuclear.

A equipe combinou trabalhos anteriores de espectroscopia a laser com cálculos modernos de estrutura eletrônica em supercomputadores para estudar a resposta das ftalocianinas à 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.

O próximo passo é calcular as interações entre as ftalocianinas depositadas, o substrato e a luz infravermelha, para selecionar configurações promissoras antes dos testes. A confirmação das mudanças previstas nas constantes de blindagem poderia ajudar a detectar o campo magnético induzido por vibrações com resolução intramolecular.

Clique aqui para aprender sobre Heron & Condor, apresentados no contexto dos avanços de 2024 em computação quântica.

Empresas que Avançam o Campo da Computação Quântica

Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ), D-Wave e IBM estão entre as empresas que pesquisam computação quântica. Em 2024, a IBM fez parceria com o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão (AIST) para desenvolver tecnologias de computação quântica em escala maior. Projetos desse tipo representam metas de pesquisa, e não sistemas já concluídos. A seguir, analisamos outras duas empresas do setor.

#1. Google 

O Google pesquisa processadores quânticos há anos. Em 2019, demonstrou uma vantagem de seu processador em uma tarefa específica de amostragem de circuitos aleatórios. A comparação dependia dos métodos clássicos usados e não significava que a tarefa fosse impossível para qualquer supercomputador.

Experimentos posteriores usaram processadores com mais qubits, inclusive uma versão de 70 qubits do Sycamore. O aumento de qubits amplia o espaço de estados, mas não se traduz diretamente em um ganho fixo de velocidade ou robustez para qualquer cálculo. A equipe também pesquisa simulações de sistemas quânticos e correção de erros.

O Google integra pesquisa em hardware, software e algoritmos. Em março de 2024, Google, GESDA e XPRIZE lançaram o XPRIZE Quantum Applications, uma competição mundial de três anos com premiação de US$ 5 milhões para aplicações úteis da computação quântica.

No momento retratado pelo artigo em 2024, as ações da Alphabet, controladora do Google, eram cotadas em US$ 177,08, com valorização de 26,88% no ano e capitalização próxima de US$ 2,2 trilhões. Os indicadores citados eram lucro por ação dos últimos 12 meses de US$ 6,52, relação preço/lucro de 27,18 e rendimento de dividendos de 0,45%. São dados históricos. No primeiro trimestre de 2024, a Alphabet registrou receita de US$ 80,5 bilhões, alta anual de 15%, e margem operacional de 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.

Catherine Doyle, então diretora-geral da Dell Technologies (DELL ) na Irlanda, destacou a possibilidade de aproximação entre IA e computação quântica. Essa expectativa depende de avanços técnicos e de aplicações demonstráveis.

Na fotografia de mercado usada no artigo em 2024, a Dell tinha capitalização de US$ 100,74 bilhões e cotação de US$ 144,50, com alta de 85,66% no ano. Os indicadores citados eram lucro por ação dos últimos 12 meses de US$ 4,36, relação preço/lucro de 32,55 e rendimento de dividendos de 1,25%. No primeiro trimestre do exercício fiscal de 2025, encerrado em maio de 2024, a companhia registrou receita de US$ 22,2 bilhões; esse trimestre fiscal não deve ser confundido com o primeiro trimestre do ano civil de 2024.

Conclusão

A computação quântica atrai pesquisa e investimento por seu potencial em tarefas específicas, como simulações e certos problemas de otimização. Controle de erros, escala e conexões confiáveis entre componentes continuam sendo desafios. Os emissores em silício e o controle óptico de moléculas discutidos aqui são caminhos de pesquisa, com etapas distintas de validação antes de aplicações práticas.

Clique aqui para aprender sobre o estado atual da computação quântica.