Computação Quântica Avança com Tecnologia Supercondutora Avançada

Uma tecnologia emergente, a computação quântica utiliza as leis dos mecanismos quânticos para resolver problemas complexos que estão além da capacidade dos computadores tradicionais. 

Esses computadores quânticos armazenam informações em qubits (ou bits quânticos). Ao contrário dos bits clássicos, esses qubits podem existir além de um estado binário de 0 e 1 e, como tal, podem realizar cálculos muito mais rapidamente. 

Além disso, esses qubits vêm em diferentes formas, incluindo qubits de íons aprisionados, que utilizam íons ou átomos carregados; qubits fotônicos, que utilizam partículas de luz; e qubits supercondutores, que são um circuito em loop com uma corrente elétrica circulando ao seu redor.

Parte da computação quântica de ‘estado sólido’, os qubits supercondutores foram demonstrados pela primeira vez em 1999. Desde então, evoluíram para uma das principais formas de tecnologia de qubits, oferecendo benefícios como redução da dissipação de energia, baixa resistência, diminuição da decoerência, circuitos quânticos escaláveis, operação de qubits em alta velocidade, estados de qubits estáveis, controle de qubits de alta fidelidade e correção de erros.

Na última década, a computação quântica supercondutora se tornou uma opção popular para construir computadores quânticos funcionais, e pesquisas contínuas estão nos aproximando de torná-los realidade.

Avanços Recentes em Materiais Supercondutores

Nesta semana, uma equipe de pesquisadores publicou um estudo na Science Advances sobre o desenvolvimento de um novo material supercondutor para computação quântica.

O novo material supercondutor é um candidato a “supercondutor topológico”, que é um tipo que utiliza um estado delocalizado de um buraco ou de um elétron para transportar informações quânticas e processar dados.

O físico Peng Wei, da Universidade da Califórnia, liderou uma equipe de pesquisadores que combinou telúrio trigonal, um material não magnético que não pode ser sobreposto em sua imagem espelhada, com um supercondutor de estado de superfície gerado na superfície de um filme fino de ouro.

Esta combinação criou um supercondutor de interface 2D com polarização de spin aprimorada, permitindo que as excitações possam ser usadas para criar um qubit de spin estável. Este material supercondutor inovador tem o potencial de revolucionar a escalabilidade e a confiabilidade dos componentes de computação quântica. 

“Ao criar uma interface muito limpa entre o material quiral e o ouro, desenvolvemos um supercondutor de interface bidimensional. O supercondutor de interface é único, pois vive em um ambiente onde a energia do spin é seis vezes mais aprimorada do que nos supercondutores convencionais.”

– Wei, professor associado de física e astronomia

Sob um campo magnético, o material foi observado adicionalmente fazendo uma transição, o que sugere seu uso como supercondutor tríplice, o que poderia levar a componentes de computação quântica mais robustos. Basicamente, tornou-se mais robusto em um campo magnético alto do que em um campo magnético baixo. 

Além disso, ao usar materiais não magnéticos para interfaces mais limpas, essa nova tecnologia também suprime naturalmente as fontes de decoerência, que é um desafio na computação quântica.

Os pesquisadores também demonstraram a capacidade do supercondutor de ser transformado em ressonadores de micro-ondas de baixa perda de alta qualidade, que são componentes críticos da computação quântica. Como tal, isso pode levar a qubits supercondutores de baixa perda. 

Dado que reduzir a decoerência ou a perda de informação quântica em um sistema de qubits é o maior desafio na computação quântica, esta pesquisa pode ajudar a desenvolver componentes de computação quântica mais escaláveis e confiáveis. Segundo Wei:

“Conseguimos isso usando materiais que são uma ordem de magnitude mais finos do que os tipicamente usados na indústria de computação quântica.”

Esses ressonadores de micro-ondas têm um fator de qualidade que chega a 1 milhão.

Uma semana antes disso, uma equipe liderada pela UCLA também publicou um estudo apresentando um novo material que mostra potencial para a computação quântica. 

O material manteve suas propriedades supercondutoras sob campos magnéticos muito mais altos que o usual e exibiu o efeito de diodo supercondutor. Esse efeito, que permite que mais corrente flua em uma direção, é tipicamente observado em supercondutores quirais e raramente visto em supercondutores tradicionais.

Para induzir o comportamento quiral em um supercondutor convencional, os pesquisadores criaram uma camada molecular quiral e uma estrutura em camadas com o material 2D dissulfeto de tântalo (TaS2).

Este estudo demonstrou o potencial de melhorar a eficiência e a estabilidade da computação quântica e tornar a eletrônica convencional mais rápida e eficiente em termos de energia.

Inovações no Controle e Escalabilidade de Qubits

Com os computadores quânticos tendo a capacidade de “mudar drasticamente o mundo”, tem havido uma corrida mundial para construir um computador quântico prático.

No entanto, um dos maiores desafios que impede o crescimento dos computadores quânticos é a escalabilidade, que significa que computadores suficientemente grandes podem enfrentar problemas da vida real. Para ter um computador quântico que possa enfrentar problemas úteis, precisamos de mais qubits ou de uma forma confiável de reduzir erros introduzidos durante os cálculos.

Então, pesquisadores no Japão abordaram o problema aumentando o número gerenciável de qubits e diminuindo o número necessário de qubits.

Alguns meses atrás, os pesquisadores demonstraram com sucesso um circuito supercondutor que pode controlar muitos qubits em baixas temperaturas.

Neste experimento, um circuito supercondutor foi demonstrado para controlar múltiplos qubits através de apenas um cabo usando multiplexação de micro-ondas. O circuito tem o potencial de melhorar a densidade de sinais de micro-ondas por cabo em cerca de 1.000 vezes. Essa conquista pode aumentar substancialmente o número de qubits controláveis e contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos em larga escala.

Para reduzir o hardware necessário para intermediar qubits e eletrônicos em temperatura ambiente, foi desenvolvido um inovador ‘crioeletrônica’. ‘Crioeletrônica’ são eletrônicos para controle e leitura de qubits que operam em temperaturas criogênicas próximas aos qubits. 

Crioeletrônicos também foram demonstrados funcionando em altas frequências de clock a quatro graus acima do zero absoluto. Agora, o foco está em reduzir o consumo de energia para minimizar o calor gerado próximo aos qubits.

Outro foco dos pesquisadores japoneses é encontrar maneiras de corrigir erros de processamento. Nesse contexto, pesquisadores da Universidade de Princeton desenvolveram uma técnica de fabricação para computação quântica sem erros.

Nesta pesquisa, cientistas criaram uma camada supercondutora sobre um isolante topológico, ditelureto de tungstênio (WTe2). A técnica usou uma ‘semente’ de metal depositado (paládio) sobre a superfície do isolante para formar uma nova estrutura cristalina, Pd7WTe2, que exibiu resistência zero.

A técnica de espalhamento atômico funciona com sucesso com uma variedade de componentes, incluindo ditelureto de molibdênio (MoTe2).

Embora sejam necessários mais testes para determinar se é um supercondutor topológico, os pesquisadores acreditam que novos supercondutores podem ser criados por meio de seu método geral.

Abordando a Decoerência e Melhorando o Desempenho

Outro avanço na computação quântica ocorreu no início deste ano, quando pesquisadores introduziram uma nova abordagem para circuitos supercondutores. Essa abordagem tem o potencial de estender significativamente o tempo de execução de um computador quântico.

Como observamos, a operação contínua de tal computador é interrompida devido à facilidade com que o estado quântico de um qubit pode ser desestabilizado. Isso é chamado de decoerência e leva a erros nos cálculos. Isso ocorre por causa das interações com outros qubits e seu ambiente.

E como os qubits supercondutores permitem a troca entre diferentes estados no menor tempo possível, eles são o foco de pesquisas crescentes. Mas, embora possam melhorar o tempo de comutação, também são mais suscetíveis à decoerência em tempos tão curtos quanto milissegundos.

Portanto, um grupo internacional de pesquisadores propôs um design de junção Josephson, denominado “flowermon”. Esse design usa duas lâminas de cuprato com espessura de um átomo, um material supercondutor baseado em cobre.

“O flowermon moderniza a antiga ideia de usar supercondutores não convencionais para circuitos quânticos protegidos e combina isso com novas técnicas de fabricação e uma nova compreensão da coerência de circuitos supercondutores.”

– Uri Vool, físico no Instituto Max Planck de Física Química dos Sólidos na Alemanha

De acordo com os cálculos da equipe, seu design pode reduzir o ruído e, por sua vez, aumentar o tempo de coerência dos qubits em ordens de magnitude. No entanto, foi puramente teórico, e a equipe planeja usar seus resultados para otimizar os qubits supercondutores a seguir.

Para enfrentar o desempenho dos computadores quânticos, no ano passado, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Minnesota Twin Cities também desenvolveu um diodo supercondutor sintonizável que pode não apenas ajudar a escalar computadores quânticos, mas também melhorar sistemas de inteligência artificial.

Um diodo é um dispositivo que permite o fluxo de corrente em uma direção. Embora geralmente feito com semicondutores, os pesquisadores têm explorado a fabricação de diodos com supercondutores, que permitem a transferência de energia sem perder potência ao longo do caminho.

O autor principal da pesquisa, Vlad Pribiag, que é professor associado na Escola de Física e Astronomia, observou:

“Queremos tornar os computadores mais poderosos, mas há alguns limites rígidos que vamos atingir em breve com nossos materiais e métodos de fabricação atuais.” 

O maior desafio para aumentar o poder de computação é dissipar energia, portanto a equipe optou por usar tecnologias supercondutoras.

O dispositivo de diodo supercondutor foi construído usando três junções Josephson. Embora feito ao intercalar peças de material não supercondutor no meio dos supercondutores, os pesquisadores aqui conectaram os supercondutores com camadas de semicondutores. 

Esse design exclusivo permitiu que os pesquisadores controlassem o comportamento do dispositivo usando tensão. Ele também pode processar múltiplos sinais elétricos simultaneamente, ao contrário dos diodos usuais, que só podem lidar com uma entrada e saída cada. Essas características podem levar o diodo supercondutor a ser usado em computação neuromórfica inspirada no cérebro.

Na computação neuromórfica, circuitos elétricos são projetados para copiar o funcionamento dos neurônios no cérebro humano a fim de melhorar o desempenho.

De acordo com Mohit Gupta, primeiro autor do artigo, este novo diodo supercondutor é mais eficiente em termos de energia do que outros diodos supercondutores. Mais especificamente, pela primeira vez, ele vem com uma série de portas para controlar o fluxo de energia. Esse recurso não havia sido incorporado a um diodo supercondutor antes, mas este estudo mostrou que “você pode adicionar portas e aplicar campos elétricos para ajustar esse efeito”. 

Além disso, o material usado nesta pesquisa era mais amigável à indústria e capaz de oferecer novas funcionalidades.

A técnica usada neste estudo pode ainda ser utilizada com qualquer supercondutor, o que a torna altamente flexível e compatível com aplicações industriais. Essas qualidades podem ajudar a ampliar o desenvolvimento de computadores quânticos para uso mais amplo.

“Neste momento, todas as máquinas de computação quântica disponíveis são muito básicas em relação às necessidades de aplicações do mundo real. Escalar é necessário para ter um computador suficientemente poderoso para enfrentar problemas úteis e complexos.”

– Pribiag

Isso tem um significado especial hoje, à medida que o uso de IA cresce substancialmente. Isso levou as pessoas a pesquisarem algoritmos para computadores ou máquinas de IA que possam superar o desempenho dos computadores clássicos. Este estudo, observou Pribiag, está desenvolvendo o hardware para permitir que computadores quânticos implementem esses algoritmos. 

A pesquisa foi financiada principalmente pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, com apoio parcial da National Science Foundation e da Microsoft Research.

Reduzindo Qubits com Materiais 2D sem Afetar o Desempenho

Pesquisas e desenvolvimentos contínuos levaram cientistas a construir qubits supercondutores muito menores que os qubits habituais. Esses qubits supercondutores foram construídos usando materiais 2D.

Para superar a velocidade e a capacidade dos computadores clássicos, os qubits dos computadores quânticos precisam estar na mesma faixa de comprimento de onda. Para alcançar isso, os pesquisadores geralmente precisam sacrificar o tamanho desses qubits, que ainda hoje são medidos em milímetros, ao contrário de seus equivalentes clássicos, cujos transistores foram reduzidos a nanômetros.

Para reduzir o tamanho dos qubits de modo que não tenham uma grande pegada física enquanto mantêm seu desempenho, James Hone, professor Wang Fong-Jen de Engenharia Mecânica na Universidade Columbia, exibiu um capacitor de qubit supercondutor realmente pequeno.

Anteriormente, engenheiros usavam capacitores planares para construir chips de qubits. Aqui, placas carregadas são colocadas lado a lado, e embora possam ser empilhadas para economizar espaço, isso interferiria no armazenamento de informação dos qubits.

Portanto, os estudantes de doutorado de Hone, Anjaly Rajendra e Abhinandan Antony, intercalaram uma camada isolante de nitreto de boro entre duas placas carregadas de disseleneto de nióbio supercondutor. Com apenas um átomo de espessura, essas camadas são mantidas juntas por forças de van der Waals, uma interação fraca entre forças eletrostáticas. 

Os capacitores foram então combinados com circuitos de alumínio para criar um chip. Esse chip tinha dois qubits e tinha apenas 35 nanômetros de espessura, 1.000 vezes menor que os produzidos usando abordagens convencionais.

Quando resfriados, os qubits obtiveram o mesmo comprimento de onda. Também foi observado que eles se tornaram emaranhados e agiram como uma única unidade. Essa coerência quântica, embora de curta duração (um pouco mais de um microssegundo), significa que o estado quântico do qubit pode ser manipulado e lido por meio de pulsos elétricos. Segundo Hone:

“Agora sabemos que materiais 2D podem conter a chave para tornar os computadores quânticos possíveis. Ainda é muito cedo, mas descobertas como estas incentivarão pesquisadores em todo o mundo a considerar aplicações inovadoras de materiais 2D. Esperamos ver muito mais trabalho nessa direção no futuro.”

Graças à sua estrutura única, os materiais quânticos bidimensionais (2D) marcaram um avanço significativo na ciência dos materiais. Ao contrário dos materiais 3D, os materiais quânticos 2D têm apenas um ou poucos átomos de espessura, e os elétrons podem se mover em todas as três direções.

Alguns materiais 2D populares incluem Siliceno, Grafeno, Germânio, Staneno, Fosforeno, Dicalcogenetos de Metais de Transição (TMDCs) e Nitreto de Boro Hexagonal (h-BN).

Embora esses materiais ofereçam propriedades diversas e potencial para aplicações tecnológicas transformadoras, eles enfrentam desafios em termos de síntese, integração e escalabilidade que precisam ser superados antes que seu pleno potencial possa ser realizado.

Principais Empresas Liderando a Revolução da Computação Quântica

Agora, vamos dar uma olhada em algumas empresas proeminentes que estão envolvidas em supercondutores e computação quântica:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet está fortemente investida em pesquisa de computação quântica através de sua subsidiária Google Quantum AI. A divisão criou um processador quântico supercondutor chamado Sycamore, que, em 2019, conseguiu completar um cálculo em 200 segundos que de outra forma levaria 10.000 anos mesmo para um supercomputador poderoso. Desde então, o processador quântico Sycamore cresceu substancialmente e now holds 70 qubits, tornando-o 241 milhões de vezes mais robusto que seu modelo anterior.

O gigante tecnológico tem um valor de mercado de US$ 2,06 trilhões, e suas ações (GOOGL:NASDAQ) negociam a US$ 165,68, alta de 18,56% no ano. No segundo trimestre de 2024, a Alphabet reportou um aumento de 28,6% em seu lucro líquido para US$ 23,6 bilhões, enquanto a receita total cresceu 14% para US$ 84,74 bilhões. A controladora do Google também anunciou um dividendo em dinheiro de US$ 0,20 por ação.

#2. NVIDIA Corporation

A NVIDIA tem explorado a computação quântica e supercondutores por meio de parcerias e colaborações. Em março deste ano, a empresa anunciou a aceleração de seus esforços em computação quântica em sites nacionais de supercomputação na Alemanha, Japão e Polônia com a plataforma de código aberto NVIDIA CUDA-Q™.

A queridinha de IA do mercado, as ações da NVIDIA têm tido um ótimo desempenho este ano, como evidenciado pelo aumento de 161,24% em 2024 até agora. Essa alta fez com que as ações da NVDA negociem a US$ 129,45, colocando o valor de mercado da empresa em US$ 3,188 trilhões. A fabricante de chips reportou um recorde no primeiro trimestre de 2024, com receita de US$ 22,1 bilhões.

Conclusão

Portanto, pesquisadores, organizações e empresas ao redor do mundo estão trabalhando para avançar a computação quântica, que se destaca na resolução de problemas complexos. O foco na tecnologia supercondutora, em particular, está ajudando a impulsionar progressos significativos e nos aproximando de realizar todo o potencial desta tecnologia transformadora. 

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