Computação quântica: qubits mais quentes podem facilitar o futuro

Durante décadas, a ambição de desenvolver computação quântica tem esbarrado na necessidade de temperaturas extremamente baixas: apenas fracções de grau acima do zero absoluto (0 Kelvin ou –273,15 °C).

Isto acontece porque os fenómenos quânticos que conferem aos computadores quânticos capacidades de cálculo singulares só podem ser aproveitados quando estão isolados do calor do mundo clássico familiar em que vivemos.

Um único bit quântico, ou «qubit» - o equivalente ao bit binário «zero ou um» que está no centro da computação clássica - necessita de um grande equipamento de refrigeração para operar. Contudo, em muitas áreas nas quais esperamos que os computadores quânticos proporcionem avanços - por exemplo, na criação de novos materiais ou medicamentos - serão necessários muitos qubits, ou até computadores quânticos completos, a trabalhar em paralelo.

Prevê-se que os computadores quânticos capazes de gerir erros e de se autocorrigirem, uma condição essencial para cálculos fiáveis, tenham dimensões gigantescas. Empresas como a Google, a IBM e a PsiQuantum preparam-se para um futuro em que armazéns inteiros estarão cheios de sistemas de arrefecimento, consumindo enormes quantidades de energia para fazer funcionar um único computador quântico.

No entanto, se os computadores quânticos conseguissem funcionar a temperaturas apenas ligeiramente mais elevadas, poderiam ser muito mais fáceis de utilizar - e estar disponíveis de forma muito mais ampla. Numa nova investigação publicada na Nature, a nossa equipa demonstrou que um tipo específico de qubit - os spins de eletrões individuais - pode funcionar a temperaturas de cerca de 1 K, muito superiores às dos exemplos anteriores.

Os factos frios e duros

Os sistemas de arrefecimento tornam-se menos eficientes à medida que a temperatura diminui. Para agravar a situação, os equipamentos atualmente usados para controlar os qubits são emaranhados de fios que fazem lembrar o ENIAC e outros computadores enormes da década de 1940. Estes sistemas aumentam o aquecimento e criam estrangulamentos físicos que dificultam o funcionamento conjunto dos qubits.

Quanto mais qubits tentamos concentrar num espaço, mais difícil se torna o desafio. A partir de determinado ponto, o problema da cablagem torna-se impossível de ultrapassar.

Depois disso, os sistemas de controlo terão de ser integrados nos mesmos chips que os qubits. Porém, esta eletrónica integrada requer ainda mais energia - e dissipa mais calor - do que o grande emaranhado de fios.

Uma mudança mais quente na computação quântica

A nossa nova investigação pode indicar uma via de progresso. Demonstrámos que um determinado tipo de qubit - construído com um ponto quântico impresso com elétrodos metálicos sobre silício, recorrendo a uma tecnologia muito semelhante à usada na produção atual de microchips - consegue operar a temperaturas próximas de 1 K.

Trata-se de apenas um grau acima do zero absoluto, pelo que continua a ser uma temperatura extremamente baixa. Ainda assim, é significativamente mais elevada do que anteriormente se julgava possível. Este avanço poderá transformar uma infraestrutura de refrigeração extensa num único sistema mais fácil de gerir. Além disso, reduziria drasticamente os custos operacionais e o consumo de energia.

A necessidade destes avanços tecnológicos não é apenas académica. Há muito em jogo em áreas como a conceção de medicamentos, na qual a computação quântica promete transformar a forma como compreendemos e interagimos com estruturas moleculares.

As despesas de investigação e desenvolvimento nestes setores, que atingem milhares de milhões de dólares, evidenciam as potenciais poupanças e ganhos de eficiência proporcionados por tecnologias de computação quântica mais acessíveis.

Um progresso gradual

Os qubits «mais quentes» abrem novas possibilidades, mas também trarão novos desafios de correção de erros e controlo. Temperaturas mais altas poderão aumentar a taxa de erros de medição, criando dificuldades adicionais para manter o computador operacional.

O desenvolvimento dos computadores quânticos encontra-se ainda numa fase inicial. Um dia, poderão ser tão disseminados como os atuais chips de silício, mas o caminho até esse futuro estará repleto de obstáculos técnicos.

O nosso progresso recente na operação de qubits a temperaturas mais elevadas representa uma etapa fundamental para simplificar os requisitos do sistema.

Oferece a esperança de que a computação quântica possa sair dos limites dos laboratórios especializados e chegar à comunidade científica mais ampla, à indústria e aos centros de dados comerciais.

Andrew Dzurak, Professor Scientia Andrew Dzurak, diretor executivo e fundador da Diraq, UNSW Sydney, e Andre Luiz Saraiva De Oliveira, físico do estado sólido, UNSW Sydney

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.