Chips quânticos próximos da realidade com design de silício escalável

Pesquisadores da Diraq revelaram um método comercialmente viável de fabricação de bits quânticos de alta fidelidade em escala que pode revolucionar o setor de computação. Esta prova de princípio utiliza processos de fabricação tradicionais que têm sido utilizados há décadas para fornecer chips de computador quântico confiáveis, em larga escala e tolerantes a falhas, que mantêm a máxima fidelidade. Aqui está o que você precisa saber.

A demanda por computadores quânticos acessíveis está aumentando

Há uma demanda crescente por serviços e especialistas em computação quântica. De acordo com dados recentes relatórios, as empresas já gastaram US$ 2.35 bilhões em serviços quânticos no ano passado. Além disso, o setor registrou um aumento significativo nas contratações, com estatísticas do LinkedIn indicando um aumento de 180% nas empresas que buscam profissionais quânticos entre 2020 e 2024.

Há muitas razões para o aumento da demanda por computação quântica. Uma delas são as aplicações militares. Em todo o mundo, as forças armadas têm investido recursos significativos na esperança de obter uma vantagem competitiva sobre seus concorrentes.

Iniciativa de Benchmarking Quântico

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos Estados Unidos (DARPA) está atualmente sediando a Iniciativa de Benchmarking Quântico. O objetivo deste projeto é determinar se chips de computação quântica podem ser dimensionados e se tornarem mais duráveis ​​do que seu design atual, que apresenta um estado quântico frágil.

Para realizar essa tarefa, 18 empresas foram selecionadas para competir entre si e alcançar escala de utilidade no setor de computação quântica. Escala de utilidade é um termo que se refere à capacidade da computação quântica de resolver problemas que excedem em muito os supercomputadores atuais.

Esta tarefa exigirá correção de erros em tempo real para atender aos requisitos de alta fidelidade. Fidelidade refere-se à precisão do chip. Os engenheiros precisarão criar um chip quântico capaz de armazenar e acessar enormes quantidades de informação, mantendo mais de 100 qubits de forma confiável no frágil estado quântico.

Chips quânticos baseados em silício

Existem muitos tipos diferentes de designs de chips quânticos usados ​​para criar hardware quântico. No entanto, a introdução de chips quânticos baseados em silício apresenta vantagens significativas.

Por um lado, eles podem utilizar os bilhões de dólares em infraestrutura e estratégias de fabricação já existentes para chips tradicionais. Além disso, os chips podem acomodar milhões de qubits em um único chip. Esses qubits são posicionados precisamente para fornecer computação quântica eficiente.

Os próximos passos

Reconhecendo o potencial da tecnologia de spin-qubit de silício, os engenheiros buscaram maneiras de aprimorar esses projetos de chips. Suas pesquisas incluíram testes laboratoriais substanciais. Os resultados laboratoriais se mostraram precisos. No entanto, até o momento, não houve nenhuma tentativa de verificar se o mesmo nível de precisão pode ser alcançado utilizando métodos tradicionais de fabricação em escala industrial.

Fonte - Natureza

Para realizar essa tarefa, os engenheiros precisam superar diversos desafios materiais. O projeto precisará levar em conta a interferência causada por ruído de carga e desordem estática. Esses problemas ocorrem devido a defeitos e armadilhas em interfaces e óxidos encontrados em projetos de chips de silício.

Estudo de fabricação de chips quânticos em larga escala

O recente bloqueio do Células unitárias de spin-qubit de silício compatíveis com a indústria excedendo 99% de fidelidade¹ estudo publicado em 24 de setembro na Nature, fornece insights valiosos sobre métricas cruciais responsáveis ​​por alcançar chips quânticos escaláveis.

Ele conecta os pontos entre as capacidades de monitoramento em tempo real e a capacidade de corrigir erros quânticos. Especificamente, aponta correlações entre ruído elétrico e transporte de barras de Hall. Como parte do trabalho, a Diraq projetou um novo software de modelagem de design de chips.

Eles firmaram uma parceria com a empresa de fabricação de chips imec, responsável pela fabricação final do dispositivo. A partir daí, a equipe criou diversos designs usando wafers de silício e geometria CMOS tradicional.

Ferramentas padrão

Os engenheiros optaram por vários dispositivos de dois qubits que utilizavam semicondutores de óxido metálico planares com portas de polissilício. Os dispositivos foram fabricados utilizando ferramentas semicondutoras padrão em um ambiente de fundição de 300 mm. Especificamente, a arquitetura utilizada incluía um ponto quântico duplo e um transistor de elétron único (SET), que fornecia leitura de spin em tempo real.

Notavelmente, os quatro elétrons no ponto duplo formado sob os eletrodos de êmbolo do dispositivo permitem controlar o acoplamento de túnel entre os pontos e fornecer análise de ruído. A partir daí, toda a unidade foi colocada em um refrigerador de diluição 3He/4He, ajustado para uma temperatura base de 10 mK em modo isolado.

Testando o novo design do chip quântico

Para testar a construção, a equipe submeteu o dispositivo a diversas condições experimentais criadas no laboratório de pesquisa da UNSW. O primeiro passo foi avaliar a funcionalidade primária de qubit do chip. Esse teste incluiu testar portas de um e dois qubits e registrar taxas de erro.

Notavelmente, a equipe utilizou uma ferramenta de tomografia por conjunto de portas (GST) de última geração para obter informações valiosas sobre o estado quântico em tempo real. Essa abordagem permitiu determinar fatores de interferência, como diafonia e a divisão entre erros estocásticos e coerentes.

Após documentar quatro designs, eles realizaram medições de crio-sondagem em outras 16 opções. Cada chip tinha formato e arquitetura ligeiramente diferentes, permitindo à equipe obter insights sobre como seu design proporciona controle eletrostático uniforme sobre os eletrodos de porta do dispositivo.

Resultados de testes de estudo de fabricação de chips quânticos em larga escala

Os resultados dos testes mostraram que o conceito foi um sucesso. A equipe demonstrou alto desempenho de qubits no wafer de 300 mm usando fundições tradicionais de semicondutores. Seus dados sugerem que o chip teve o desempenho exatamente como previsto. Em instalações de controle de um e dois qubits, a precisão ultrapassou 99% em todos os quatro dispositivos.

Os resultados desses testes indicam que o chip quântico de silício da Diraq pode ser produzido em massa com sucesso usando estratégias CMOS tradicionais. Essa descoberta abre caminho para produções em larga escala de dispositivos de computação quântica de última geração.

Benefícios do estudo de fabricação de chips quânticos em larga escala

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Este estudo traz muitos benefícios para a indústria. Por um lado, forneceu conhecimento científico valioso para superar as limitações técnicas das estratégias de fabricação de computação quântica em larga escala. Também demonstrou uma maneira de integrar chips quânticos à fabricação em massa no futuro.

Precisão

Uma das maiores descobertas é que o processo de fundição não reduziu a precisão ou a fidelidade dos chips quânticos. Na verdade, mostrou que chips quânticos baseados em silício podem manter precisão de alto nível quando criados utilizando estratégias de spin-qubit de última geração, aliadas à correção de erros em tempo real.

Fabricação em massa

O principal objetivo do estudo era demonstrar que computadores quânticos baseados em silício podem utilizar a indústria de semicondutores, que já está madura. Os engenheiros conseguiram atingir esse objetivo, o que abre caminho para que esses chips sejam adotados em larga escala.

Aplicações e cronograma do mundo real

Este estudo tem diversas aplicações. Por um lado, ajudará a fornecer um caminho viável para a produção em larga escala de chips quânticos de silício confiáveis. Esses dispositivos desempenharão um papel vital em muitas indústrias de alta tecnologia, incluindo IA, aeroespacial, médica, modelagem climática e muito mais.

Cronograma do estudo de fabricação de chips quânticos em larga escala

Levará de 7 a 10 anos até que você possa ir à sua loja de informática local e ver dispositivos com tecnologia quântica a um preço acessível. No entanto, este trabalho abre caminho para computadores com tecnologia quântica a preços razoáveis ​​na próxima década.

Pesquisadores do estudo de fabricação de chips quânticos em larga escala

Para tornar o Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Larga Escala um sucesso, a Diraq, uma startup de nanotecnologia da UNSW em Sydney, colaborou com o instituto europeu de nanoeletrônica, o Centro Interuniversitário de Microeletrônica (IMEC). Notavelmente, a Diraq já havia revelado um projeto de chip de silício que fabricava qubits usando os processos CMOS em seu laboratório.

Essa etapa inspirou a equipe a levar a tecnologia ainda mais longe, permitindo o emprego de métodos de fabricação em larga escala. Essa conquista fundamental abre caminho para a produção em massa de chips quânticos baseados em silício, que poderão ser utilizados em tudo, desde o transporte até dispositivos médicos.

Direções de Pesquisa Futura

Comentando seus planos, os engenheiros pretendem aprofundar a investigação em configurações maiores e com maior ocupação de elétrons. O objetivo é compreender melhor a origem física dos mecanismos de erro observados e criar modelos que possam prever e prevenir com precisão essas ocorrências. Se bem-sucedido, este trabalho abrirá um caminho claro para um desempenho ainda melhor no setor.

Investindo em Computação Quântica

Diversos desenvolvedores de computadores quânticos atuam globalmente. Essas empresas continuam a expandir os limites da computação, investindo constantemente em P&D para reduzir os custos de fabricação. Aqui está uma empresa que continua pioneira no mercado e é reconhecida como líder do setor.

Computação Rigetti

A Rigetti Computing entrou no mercado em 2013. Com sede na Califórnia, foi fundada por um físico chamado Chad Rigetti. O foco original da Rigetti Computing era criar e manter qubits supercondutores. Essa abordagem incluiu a criação de sistemas quânticos supercondutores full-stack e outros hardwares vitais.

Notavelmente, a Rigetti Computing sempre foi pioneira no mercado. Por exemplo, lançou o primeiro processador quântico em 2016. Este chip de 3 qubits abre caminho para inovações futuras, incluindo o lançamento do ambiente de programação quântica Forest, que ajudou a impulsionar o desenvolvimento de algoritmos.

Em 2017, a Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) foi lançada, permitindo acesso empresarial a poderosos chips quânticos. Essa iniciativa foi rapidamente seguida pela inauguração de uma nova fundição em Fremont, Califórnia, no mesmo ano. Essas iniciativas ajudaram a fortalecer o posicionamento e a capacidade de fabricação da empresa.

Em 2024, a Rigetti Computing demonstrou seus processadores de 32 qubits. Essa manobra foi seguida por uma parceria estratégica com a AWS. Todas essas manobras reforçaram o posicionamento de mercado da Rigetti Computing e a confiança do consumidor. Como tal, hoje é vista como uma excelente maneira de ganhar exposição no setor de computação quântica.

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Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala | Conclusão

Há muitos motivos pelos quais a criação de chips quânticos de silício que possam alavancar a indústria de semicondutores, que já está consolidada, é uma vitória para todos. Primeiro, porque impulsionará a redução de custos e o aprofundamento da pesquisa. Além disso, inspirará mais inovação tecnológica no futuro.

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Referências

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Células unitárias spin-qubit de silício compatíveis com a indústria, excedendo 99% de fidelidade. Natureza, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}