Design atômico para ‘Computadores quânticos’

Há diversas abordagens possíveis a fim de se tentar armazenar dados em qubits… – em chaves ‘liga/desliga’ feitas de luz – em íons – pontos quânticos – nos estados de energia de elétrons  – ou até em spins magnéticos (de elétrons… ou mesmo… núcleos atômicos).  

Cada uma dessas abordagens gerou o que se convencionou chamar de ‘designs, ou seja, princípios de funcionamento de ‘computadores quânticos’.

Um desses designs é chamado arquitetura Kane, em uma homenagem ao seu criador…o físico Bruce Kane.

Em 1998, ele lançou a ideia de se construir um “computador quântico” que guardasse suas próprias informações, dentro  de ‘átomos dopantes’ colocados no interior de uma pastilha de silício…

Átomos dopantes estão na base de toda eletrônica atual… — São eles que modificam as propriedades eletrônicas do silício, e permitem que esse semicondutor funcione como um transístor, ou um diodo, por exemplo.

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Christoph Boehme trabalha no equipamento usado para demonstrar a viabilidade de um computador quântico super rápido que lê informações guardadas na forma de “spins” magnéticos de átomos de fósforo. [Imagem: John Lupton/University of Utah]

Porém, havia um problema com a ideia de Kane: até hoje, ninguém havia conseguido ler as informações armazenadas no átomo dopante. Teoricamente seria possível, mas a prática vinha contestando, tenazmente, a teoria…

Até que a equipe do pesquisador Christoph Boehme – Universidade de Utah, ao dopar o silício com átomos de fósforo… elemento não comumente utilizado na dopagem pela indústria eletrônica, conseguiu codificar as informações digitais dentro do spin desses núcleos atômicos.

Campos elétricos aplicados externamente foram, então, utilizados para processar, e ler os dados.

Lendo dados armazenados como spins                                                                 Cientistas conseguem pela primeira vez, controlar o spin de um único elétron no interior de uma nanoestrutura… – Eles foram capazes de rotacionar o spin em todas as direções possíveis, e registrar o movimento.

Além de uma carga elétrica, o elétron se comporta como um ímã minúsculo…graças à sua rotação intrínseca (spin) sobre o próprio eixo – o que permite sua utilização para guardar informações binárias. Dessa forma, espera-se que esse spin possa funcionar como um bit quântico – ou qubit – na construção de um computador quântico, que funcione com base – não na carga, mas nos spins dos elétrons.

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Como a maioria dessas experiências é feita utilizando-se “pontos quânticos”, uma espécie de ‘armadilha magnética’ que aprisiona vários elétrons juntos… manipular um único elétron até agora, permanecia um desafio a ser vencido.

A razão para isso é que — o mesmo campo magnético, que oscila muito rapidamente…(alguns bilionésimos      de segundo), utilizado para girar o spin do elétron, gera “padrões de interferência“… que tornam difícil manter o elétron preso.

Porém agora – pela 1ª vez, foi possível manipular o spin de um único elétron, de uma forma ‘totalmente controlada’.

A experiência foi feita com 2 pontos quânticos…cada um com um único elétron. A equipe do Dr. Frank Koppens do ‘Instituto de Ciências Fotônicas’ (ICFO) utilizou um 2º elétron para ler a direção do spin do outro elétron…Por meio de um princípio básico da mecânica quântica, estabelecendo que 2 elétrons só podem ficar juntos, se tiverem spins diferentes, era checado o estado de um elétron, cada vez que um campo magnético era ativado sobre   o outro – fazendo-o girar…

 Se fosse detectada repulsão nesse elétron, significaria                                        que a ‘rotação induzida do spin‘ teve sucesso.

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Dispositivo spintrônico em silício

Cientistas da Universidade de Delaware, EUA… — desenvolveram um dispositivo spintrônico baseado em silício, que abre espaço a nova geração de computadores nos quais os dados serão armazenados… não mais na forma de chaves, que ligam, e desligam a corrente elétrica (1 e 0) mas no spin dos elétrons

Os pesquisadores conseguiram injetar elétrons com spins polarizados de um lado do componente de silício … manipulá-los no interior deste – por meio de um campo magnético – e medi-los, quando saíam do outro lado.

Componentes spintrônicos podem transportar, ou manipular informações por meio de uma corrente de spins  —  que consiste de elétrons com spins opostos…se movendo em direções opostas. Estes novos dispositivos poderiam permitir a construção de circuitos integrados menores, mais rápidos, e com menor consumo de energia… de modo que – funções distintas de ‘processamento’ e ‘memória’ … se juntem no mesmo componente.

Chip quântico fotônico                                                                                                             A grande vantagem da fotônica baseada no silício é que os chips podem                         ser construídos com as técnicas utilizadas na atual microeletrônica CMOS.

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Representação gráfica da caminhada quântica de 2 fótons. O tamanho, a cor e a intensidade dos pontos correspondem à probabilidade dos 2 fótons aparecerem em cada local. As 2 áreas de maior probabilidade são uma marca registrada do comportamento quântico. [Proctor & Stevenson]

Um grupo internacional de pesquisas elaborou uma nova abordagem – que poderá – em breve…’revolucionar’ os avanços na ‘computação quântica‘.

– O princípio utiliza 2 partículas idênticas de luz (fótons) … movendo-se ao longo de uma rede de circuitos ópticos…no interior de um chip de silício, num experimento conhecido como caminhada quântica‘.

Caminhadas aleatórias (clássicas) já são usadas há vários anos, na otimização de algoritmos na computação…O potencial das ‘caminhadas quânticas’ por seu lado, só há pouco começou a ser explorado — inclusive…  —  no desenvolvimento dos atuais computadores eletrônicos.

E, por que em um chip?… – O chip pode gerar fótons entrelaçados…E o entrelaçamento quântico, juntamente com a superposição…são fenômenos essenciais no ‘processamento quântico’, e na transmissão dessas informações. Assim, será possível construir múltiplos circuitos quânticos funcionando em série, de forma similar aos circuitos lógicos…dentro   dos processadores eletrônicos tradicionais.

No longo prazo…um computador quântico baseado em ‘caminhada quântica de múltiplos fótons’ poderá simular os próprios processos regidos pela ‘mecânica quântica’.. — como a supercondutividade e a fotossíntese…complexos demais para qualquer supercomputador atual… – E, assim complementou Jeremy O’Brien, da Universidade de Bristol, Inglaterra:

“Agora que podemos gerar e observar diretamente caminhadas quânticas de 2 fótons – passar para 3 fótons, ou mais… é relativamente simples. Isto porque já foi resolvido o problema mais desafiador … o da interação entre partículas no interior do dispositivo”.

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Esquema do chip fotônico quântico, mostrando o circuito de guias de onda (branco) e os inversores de fase controlados eletricamente (contatos metálicos). Os pares de fótons tornam-se entrelaçados ao passarem através do circuito.[University of Bristol]

Circuito quântico

Um ‘circuito quântico fotônico de estado sólido’ é apenas uma das diversas plataformas…hoje em pesquisa para a construção de um ‘computador quântico‘.

Cálculos com qubits empregam supercondutores ultra-frios… e neles, para se manterem estáveis os qubits precisam ser isolados… o que é uma barreira para que 2, ou mais deles interajam…

Mas agora… — superado esse problema, ficou demonstrado que 2 ‘transistores de silício’ operando como qubits…podem — efetivamente — executar cálculos simultaneamente.

Porta lógica quântica

O componente mede o spin de 2 elétrons, e segue as instruções — se o primeiro estiver girando em uma direção particular, inverta o spin do segundo elétron. Se não, não faça nada… Este é um exemplo de uma porta lógica – unidade fundamental do computador.

Repetir essa mesma lógica simples, criando sequências de portas, permite realizar cálculos mais e mais complexos – é assim que todos os processadores eletrônicos funcionam…disse Menno Veldhorst, da Universidade de Nova Gales do Sul, Austrália:

Nós transformamos esses transistores de silício em bits quânticos, ao garantir que cada um tem apenas 1 elétron associado. Em seguida, armazenamos o código binário (0 ou 1) no spin do elétron, o qual está associado com um pequeno campo magnético do elétron“.

Transístor quântico (de silício)                                                                                     Transistores são indispensáveis porque, amplificando os sinais, permitem que           estes atravessem intactos uma longa série de portas, em um microprocessador.            

Se de um lado, os efeitos quânticos destroem as regras do comportamento clássico dos transistores eletrônicos – por outro, trazem comportamentos aplicáveis à computação quântica…Em um efeito que pode ser considerado como a fronteira final da eletrônica;   uma fronteira larga, mais parecida com uma ‘zona neutra’ onde eletrônica, spintrônica         e computação quântica convivem quase harmoniosamente, construiu-se um transístor     (de silício) cuja região ativa é formada por um único átomo (de fósforo).

Observe-se que, em realizações anteriores, um transístor atômico e um transístor molecular foram construídos… – mas…em configurações de laboratório, de difícil reprodução.

Ao construir um transístor com base em princípios quânticos — é explorado um domínio entre as computações eletrônica e quântica que, na verdade, é o grande empecilho para a miniaturização contínua dos transistores. Isso porque, abaixo de certas dimensões…hoje calculadas em torno dos 10 nanômetros, os transistores passam a sofrer a influência dos efeitos da mecânica quântica – alterando seu funcionamento.

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Os elétrons saltam precisamente de ponto quântico em ponto quântico, por tunelamento, sem perda de corrente.[Imagem: Yoke Khin Yap]

Transístor de tunelamento quântico

Computadores baseam-se em processadores, que são feitos de transistores – utilizando-se  semicondutores…principalmente… o silício.

Esta tem sido a espinha dorsal da nossa atual ‘Era Tecnológica’, com apenas um detalhe a mais… – o motor dessa era é a miniaturização, que em última instância, acelera os computadores…cada vez mais.

Mas há algumas pedras nesse caminho. Uma delas…é que não vai dar para diminuir muito mais os transistores. Outra… é que os semicondutores têm sido muito eficazes…mas pouco econômicos, desperdiçando energia demais na forma de calor. – Nesse sentido, Chee Huei Lee, da Universidade Tecnológica de Michigan, EUA, acaba de apresentar uma alternativa.

Sua nova técnica traz 2 avanços importantes. O primeiro é atropelar a miniaturização, e, em vez de tentar esculpir transistores cada vez menores — em grandes pastilhas, utilizar ‘nanotubos‘… que são tipicamente “montados” de para baixo para cima, partindo do nível molecular… O segundo avanço é a própria arquitetura do ‘transístor‘ – que sai dos semicondutores, passando a mesclar materiais isolantes com condutores.

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O transístor sem semicondutor (esquerda) e a estrutura do nanotubo de nitreto de boro (direita). [Imagem: Yap Lab/MTU]

Huei Lee usou nanotubos de nitreto de boro… – que são isolantes…recobrindo-os com pontos de ouro, cada um com diâmetro de 3 nanômetros. 

Os nanotubos de nitreto de boro, um dos materiais mais duros do mundo…são isolantes…servindo como “suporte ideal” no arranjo espacial dos ‘pontos quânticos‘, por sua “micro-uniformidade“.

A propósito, pontos quânticos são estrutura que conseguem aprisionar partículas individuais – elétrons, por exemplo… Embora isso os faça funcionar como se fossem semicondutores. Como a corrente não flui continuamente, mas vai “aos saltos”…eles são uma categoria à parte… um híbrido entre ‘semicondutor‘ e ‘molécula individual‘.

Quando uma tensão é aplicada às 2 pontas do nanotubo … em temperatura ambiente — os elétrons não saem correndo pelo tubo, porque ele é isolante. Em vez disso ocorre algo bem mais interessante… os elétrons saltam precisamente de ponto quântico em ponto quântico, por meio do fenômeno do tunelamento…Como explica Yoke Khin Yap – coordenador do trabalho:

“Imagine que os nanotubos são um rio, com um eletrodo em cada margem… – E agora, suponha que há um caminho de pedras até o outro lado do rio. Os elétrons pulam sobre as pedras de ouro. As pedras são tão pequenas…que só se pode ter um elétron, em cada pedra, de cada vez. – Todos elétrons atravessam da mesma forma…fazendo com que o dispositivo seja sempre estável”. 

Quando a tensão é forte o suficiente, o transístor entra em estado condutor; o estado “ligado”, ou “1”. Quando a tensão cai ou chega a zero, ele volta ao seu estado isolante natural — o estado “desligado“, ou “0“. Como os elétrons não têm como escapar pelo nanotubo (que é isolante) não há vazamento de corrente…o que torna o transístor de tunelamento metal-isolante muito eficiente, não perdendo energia na forma de calor.

O próximo passo será colocar vários transistores de tunelamento…em conjunto – para demonstrar seu funcionamento em condições reais – garantindo que o tunelamento de um não interfira no tunelamento que está ocorrendo no vizinho.  (texto base)  jul/2013

tunelamento

Esta imagem (de cerca de 5 nm) tirada com um microscópio de corrente de tunelamento  mostra uma superfície de cobre, onde esses átomos estão contidos dentro de um recinto quântico de 48 átomos de ferro. A barreira circular do ferro tem um raio de 71,3 Angstroms (71,3 x10-10) metros. Nós vemos os elétrons se comportando como ondas. © IBM Almaden Visualization Lab

Tunelamento quântico

‘Tunelamento’ é um efeito quântico que permite… – por exemplo – um elétron atravessar uma ‘barreira’. Isso acontece porque os elétrons apresentam um comportamento tanto de partícula, quanto onda.

Ao se deparar com uma barreira clássica, uma partícula é sempre refletida…na mecânica quântica, porém…a função de onda dessa partícula/onda não assume um valor zero instantaneamente; o que significa que, em função de sua energia (e da espessura da barreira), ela irá atravessá-la.

Um transístor clássico somente pode assumir um dentre 2 estados – ligado ou desligado, cada um deles representando zero ou 1… – O transístor de um único átomo – entretanto, funciona com base no tunelamento sequencial de elétrons individuais… entre o átomo, e   os eletrodos do transístor…Dessa forma, o tunelamento pode ser liberado, ou suprimido, controlando-se a tensão no ‘eletrodo… que possui a largura de dezenas de nanômetros.

A ideia é utilizar o grau de liberdade do spin de um elétron, cedido pelo átomo de fósforo, como um bit quântico – como esse spin pode ser “up” ou “down”, ele pode ser usado para representar os (0 e 1) digitais, formando um bit quântico, ou qubit. E de fato, a equipe foi capaz de medir os estados “para cima” e “para baixo” dos elétrons tunelando pelo átomo de fósforo – demonstrando – portanto…  a possibilidade de sua utilização prática.

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[Imagem: Andrew Houck Lab]

Informações quânticas dentro do chip

Os cientistas Robert Schoelkopf e Steven Girvin, pesquisadores da Universidade de Yale, EUA, já conseguiam armazenar informação de forma quântica – agora… o feito deles foi transmitir a informação quântica entre 2 qubits… usando um fio como meio de comunicação.

Os 2 pesquisadores já vinham trabalhando há anos com dispositivos de estado sólido para a construção de computadores quânticos. Agora, conseguiram que átomos artificiais… ou qubits supercondutores, se comunicassem no interior do chip.

Barramento quântico

O barramento funciona como uma ‘rodovia’ na qual os dados trafegam dentro de um computador, passando da memória para o processador, discos de armazenamento, e outros periféricos… – quanto mais faixas essa rodovia tiver…maior é a velocidade do computador… (Esse é o primeiro ‘barramento-quantico’ que se tem notícia.)

Para fazer com que os qubits se comunicassem à distância… – 2 avanços revolucionários foram feitos de uma só vez. – No 1º, foram produzidos fótons individuais de microondas, de forma controlável e sob demanda. – São esses fótons … que transportam informações quânticas, fazendo o papel dos elétrons…na eletrônica tradicional; como explica Andrew Houck, pesquisador da equipe…

Não é muito difícil gerar sinais com um fóton em média, mas é dificílimo gerar, exatamente, um fóton de cada vez…Para codificar informações em fótons é preciso ter exatamente, um deles. — Para se ter ideia da precisão alcançada…um telefone celular, por exemplo, emite 1023 fótons/segundo“.

Esta é contudo, apenas uma primeira parte da comunicação quântica. Com ela, torna-se possível pegar a informação gravada no qubit, codificá-la no fóton, e transmiti-la. Agora,   é necessário recebê-la no outro lado…e este foi o 2º avanço alcançado. Os pesquisadores guiaram o fóton de microondas num fio – da mesma forma que um fóton de luz visível é guiado ao longo das fibras ópticas.

Assim, ele pode atingir o 2º qubit, passando a informação codificada… A possibilidade de comunicação entre os qubits à distância – é essencial no processamento quântico de informações. (‘avanços rumo ao computador quântico’ – set/2007)

‘design para computador quântico’ (07/2002) ‘Manipulando o spin de um único elétron’ (ago/2006) ‘Lendo dados armazenados como spins’ (dez/2006) ‘dispositivo spintrônico’ (maio/2007)  ‘transistor-atomico’ (dez/2009)  ‘transistor-optico-quantico’ (maio/2010) ‘chip-optico-quantico’ (set/2010) chip-fotonico-multi-uso (2011) ‘chip-nanotubo-carbono’  (2012) BIOS-comp.quânticos(2013) ‘circuito quantico’(2014) comp-quantica-silicio(2015) *******************************(texto complementar)********************************

Spin atômico é fotografado pela 1ª vez   (27/04/2010)                                                 Nas imagens registradas pelos cientistas, os átomos de cobalto aparecem como uma saliência única, se a direção do spin estiver apontando “para cima”… — e como uma saliência dupla. se estiver apontando “para baixo.”

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As diferenças no formato e na aparência de cada um dos átomos de cobalto são causadas pelas diferenças na direção dos seus spins.[Imagem: Saw-Wai Hla]

O spin é uma propriedade quântica fundamental das partículas elementares.

Embora o termo seja usado em várias acepções  –  para efeitos experimentais spin é entendido, como se fosse um minúsculo ímã – com uma orientação, que pode ser “para cima” ou “para baixo“.

Os termos “para cima” e “para baixo” são apenas convenções — utilizadas para representar a orientação do spin.  —  O importante…é que ele pode ser usado para armazenar um bit de informação – assumindo um valor que pode ser 0 ou 1.

Spintrônica 

Fazer um spin passar de 0 para 1…e vice-versa, requer pouquíssima energia – bem menos do que o fluxo de elétrons usado nos computadores atuais. Isso tem levado os cientistas a apostarem no advento da spintrônica… – complementando…ou mesmo substituindo a eletrônica atual  –  viabilizando a construção de computadores menores, mais rápidos…e com consumo de energia muito menor. Apesar dos progressos recentes na área, contudo, até hoje ninguém havia realmente visto um spin.

Para conseguir o feito, os cientistas das universidades de Ohio, EUA, e Hamburgo…na Alemanha, tiveram que construir um microscópio eletrônico sob medida para a tarefa.       O microscópio de varredura por tunelamento (STM: Scanning Tunneling Microscopy) recebeu uma ponta recoberta com ferro… — para poder manipular átomos de cobalto colocados sobre uma placa de manganês. Ao reposicionar os átomos de cobalto sobre         a superfície — eles então … alteraram a direção dos spins dos elétrons desses átomos.

1 bit por átomo 

O estudo sugere que é possível não apenas observar, mas também manipular diretamente o spin, uma descoberta que poderá ter impacto no desenvolvimento futuro de sistemas de armazenamento magnético de computadores quânticos…e, dos dispositivos spintrônicosComo assim explicou Saw-Wai Hla, um dos autores do estudo…

“Diferentes direções do spin, podem representar diferentes estados para o armazenamento de dados. Cada bit magnético registrado no disco rígido de um computador utiliza dezenas de milhares de átomos… — No futuro, poderemos usar 1 só átomo, guardando o bit em seu spin…multiplicando a capacidade dos computadores por milhares de vezes”… (texto base)  ************************************************************************************

Processador fotônico usa fótons individuais como bits  (12/07/2016)

Nada parece rápido o suficiente ou impressionante o bastante para arrefecer os ânimos das equipes que trabalham no campo da computação quântica. Há poucos dias…físicos alemães conseguiram fazer com que feixes de luz “sentissem” uns aos outros… — o que promete eliminar os equipamentos intermediários entre…a ‘transmissão de dados’ por fibras ópticas e os computadores eletrônicos e – mais tarde… viabilizar computadores totalmente fotônicos, que não só trocam dados — como processam dados, usando luz.

porta-logica-fotons-isolados

Agora, outra equipe também da Alemanha foi ainda mais fundo, construindo uma porta lógica que envolve, não feixes de luz… mas ‘fótons individuais‘ — que podem assim…funcionar como qubits, processando dados por luz.

Interação entre fótons

Os fótons são ideais para a transmissão de informações porque não interagem entre si, passando uns pelos outros sem perder suas informações. Isso contudo os torna pouco adequados para o processamento das informações, quando   os bits precisam interagir uns com os outros.

Bastian Hacker superou este obstáculo utilizando uma 3ª partícula auxiliar… – um único átomo preso dentro de um ressonador óptico, que assume o papel de um mediador entre os dois fótons. – De forma independente…mas em rápida sucessão os 2 fótons atingem o ressonador, que consiste de 2 espelhos de alta reflexividade, e no centro um único átomo de rubídio aprisionado, formando um sistema fortemente acoplado.

O ressonador amplifica o campo luminoso do fóton, permitindo uma interação direta átomo-fóton. Como resultado, o estado atômico é alterado pelo fóton quando ele está sendo refletido pelo espelho… Essa alteração é detectada pelo 2º fóton quando chega         ao espelho pouco tempo depois.

CPU óptica

“Os dois fótons nunca estão no mesmo lugar ao mesmo tempo e, portanto, eles não veem uns aos outros diretamente. No entanto, conseguimos uma interação máxima entre eles” explica Bastian Hacker, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. A equipe afirma que essa ‘porta lógica de fótons‘ pode viabilizar o processamento óptico de informações – como explicou o professor Gerhard Rempe, coordenador da equipe…concluindo o artigo:

“A distribuição de fótons através de uma ‘rede quântica óptica’ permitiria ligar qualquer número de ‘nós de rede’ – e assim, realizar a configuração de um computador quântico óptico escalável…no qual a porta fóton/fóton assuma o papel de unidade central de processamento (CPU)”. (texto base)

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Diagrama do processador quântico de cinco qubits que está sendo disponibilizado online. [Imagem: IBM Research]

Processador quântico online

Seguindo os passos dos pesquisadores da Universidade de Bristol…GRB, que em 2013 ofereceram, pela internet um processador quântico, a IBM acaba de anunciar a disponibilização, de acesso gratuito … ao seu próprio processador quântico.

Enquanto o chip da Universidade de Bristol conta com 2 qubits…a versão que a IBM colocará online…possui 5  qubits.

As 2 equipes já estão trabalhando em versões mais aprimoradas, com dezenas de qubits, por isso resolveram tirar vantagem de suas versões mais simples, mas mais estáveis… A expectativa é que – quando os usuários…especializados ou não… tentarem programar o processador quântico online — os pesquisadores obterão informações importantes para ajudá-los no desenvolvimento de versões maiores.

“Estamos ansiosos para sermos surpreendidos pelos algoritmos testados pelos usuários externos. Queremos ver onde as coisas não funcionam tão bem, e a estabilidade do experimento com o tempo”… (Jerry Chow, IBM)

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A interface de programação do processador quântico (visto à direita) lembra uma partitura musical. [Imagem: IBM Research]

O processador quântico da IBM poderá ser programado por um serviço web… – o ‘Composer‘ – assim chamado … porque a sua interface se assemelha… a uma partitura musical… – Tutoriais explicam como arrastar e soltar ‘portas lógicas quânticas’…para criar um algoritmo, que poderá então rodar no “processador”…

No ano passado…a IBM recebeu financiamento para desenvolver um processador de 17 qubits  — capaz de executar códigos de correção de erros, essenciais para a criação de computadores quânticos maiores e com aplicações práticas. A solicitação de acesso ao processador quântico da IBM pode ser feita no seguinte endereço. (mai/2016) *************************************************************************************

Projeto prático para a construção de um computador quântico 02/02/2017

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Módulo ilustrando como os dados e os qubits de medição interagem nas portas lógicas para executar o código. Os qubits de dados são estáticos e os qubits de medição trafegam entre as portas. [Bjoern Lekitsch]

Uma ‘equipe internacional‘ divulgou o 1º ‘projeto prático’ para a construção de um computador quântico em larga escala.

A equipe já se prepara para construir um protótipo – em miniatura – para testar o conceito. A máquina completa – quando construída de acordo com o projeto, terá o tamanho de um ‘campo de futebol’ … e poderá custar cerca de US$ 120 milhões.

O tamanho é um problema, mas o custo não o coloca muito distante… dos atuais ‘supercomputadores eletrônicos‘… – se,  sobretudo considerarmos o que se pode esperar de seu desempenho…  A grande expectativa é que os computadores quânticos revolucionem a indústria… a ciência… e, as transações comerciais e bancárias…em uma escala semelhante à da passagem dos papéis para os computadores atuais.

O projeto, disponibilizado para outras equipes tentar construir seus próprios protótipos, é resultado do trabalho da equipe composta por pesquisadores da Google (EUA) … e das universidades de Sussex (GRB), Aarhus (Dinamarca), Riken (Japão), Siegen (Alemanha).

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Estas são as câmaras de vácuo onde os qubits ficarão. É por causa delas que o computador quântico será tão grande: cada uma medirá 4,5 x 4,5 metros.[Bjoern Lekitsch et al.]

O plano se baseia no uso de qubits gerados por átomos eletricamente carregados (íons)…confinados em uma ‘armadilha eletromagnética’.

A vantagem desta abordagem… é permitir que o funcionamento do computador…a uma temperatura ambiente, não requerendo assim, que todo o sistema seja resfriado a temperaturas frias, ao extremo.

As ‘portas lógicas’ — blocos básicos de cálculo… são bem mais simples do que os sistemas largamente usados, baseados em laser. O problema é que isso exigiria alinhar um feixe de laser individual em cada qubit, o que é tecnicamente muito problemático quando se parte para um número de qubits capazes de fazer cálculos práticos. — Assim…a equipe preferiu usar micro-ondas, o que simplificou muito o sistema.

Outra inovação é um sistema de correção de erros — já que os qubits são muito frágeis, tendendo a perder dados rapidamente. – Para resolver esse problema, a equipe propõe   usar ‘qubits estáticos’ para manter a coerência, e ‘qubits de medição’ para transferir os dados – esses qubits transportarão os dados… – empurrados por ‘campos elétricos‘.

Para a comunicação interna a abordagem mais comum, mas igualmente desafiadora, era interligar os módulos de cálculo usando conexões de fibra ótica… Em vez disso o projeto prevê o uso de conexões criadas por campos elétricos — que permitem que os íons sejam transportados, de um módulo para outro… Esta nova abordagem permite velocidades de conexão individual entre módulos de computação quântica…100.000 vezes mais rápidas, em comparação com tecnologia de fibra, embora resulte num equipamento muito maior.

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Ilustração dos módulos básicos de cálculo, cada um contendo 36 x 36 junções, cada uma controlada por mesas coordenadas X-Y-Z para manter o alinhamento. [Bjoern Lekitsch et al.]

Desta forma, o computador quântico terá uma estrutura modular, com pequenos circuitos sendo acrescentados até atingir o poder computacional desejado…Se tudo funcionar como previsto não deve haver limites ao poder de processamento, além do tamanho da máquina.

Em termos práticos, um computador quântico modular – como o agora projetado, deverá ocupar um enorme barracão de alta tecnologia, repleto de sofisticados aparelhos de vácuo necessários para manter os qubits livres de interferência dentro de circuitos integrados de silício. — A instalação deverá lembrar os prédios dos supercomputadores atuais, mas com um aspecto mais parecido com o de um laboratório.

Agora…é esperar para ver se o protótipo que a equipe está começando a construir funcionará conforme o projeto. Se funcionar, poderemos estar entrando definitivamente na era da computação quântica… (texto base)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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