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 mesmo em ‘spins’ magnéticos (de elétrons, ou…’núcleos atômicos’)

Cada uma dessas abordagens, gerou o que se costuma chamar designs de funcionamento de computadores quânticos. A ‘arquitetura Kane’…em uma homenagem ao físico Bruce Kane, seu criador, é um desses designs.  Em 1998… – Kane 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’. – Tal processo está na base da eletrônica atual…permitindo que esse semicondutor funcione como transístor, por exemplo.

spin-quantico_kane

Christoph Boehme trabalha no equipamento para demonstrar a viabilidade de um computador quântico super rápido ler informações guardadas como “spins” magnéticos de átomos de fósforo. [John Lupton/Utah]

Porém, havia um problema com a ideia de Kane: até hoje, ninguém havia conseguido ler as informações armazenadas no átomo dopante. Teoricamente isso seria possível, mas a prática…vinha contestando 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  foram então unidos externamente… a fim de processar… – e ler os dados.

Lendo dados arquivados como spins  Cientistas conseguem pela 1ª vez, controlar o spin de um único elétron no interior de uma nanoestrutura – o rotacionando em todas direções possíveis…e, registrando 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.

polarizacao-spin

Como a maioria dessas experiências é feita utilizando-se “pontos quânticos”, uma espécie de ‘armadilha magnética’ que aprisiona vários elétrons juntos… manipular 1 único elétron…até agora, permanecia um desafio a ser vencido.

A razão para isso… é que, o mesmo ‘campo magnético’… com oscilação muito rápida (alguns ‘bilionésimos     de segundo’), utilizado para girar o spin do elétron… gera “padrões de interferência” … que tornam difícil seguir mantendo 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, checava-se o estado de um elétron…cada vez que um campo magnético era ativado sobre   o outro, fazendo-o girar. — Detetada repulsão nesse elétron… significaria que a rotação induzida do spin teve sucesso. 

spintrônica

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 dados serão armazenados não mais na forma de chaves…que ligam… e desligam a corrente elétrica (1 e 0), mas por meio do – 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. 

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

spin

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”…  O termo… é ‘tecnicamente’  entendido… como se fosse um minúsculo ímã com uma orientação para cima, ou para baixo (convenções usadas, para representar a orientação do spin)… Mas, o importante… é o seu uso para armazenar um bit de informação… — quando assumir um valor…0 ou 1.

Spintrônica (1 bit/átomo)

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 visto um spin. Para conseguir o feito, cientistas das universidades de Ohio e de Hamburgo construíram 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.        O estudo sugere que é possível não só observar… como manipular diretamente o spin;        influenciando assim o desenvolvimento de sistemas de armazenamento magnético de computadores quânticos, e a ‘spintrônica’; explicou Saw-Wai Hla, co-autor 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)  ************************************************************************************

fio-quantico

[Imagem: Andrew Houck Lab]

Informações quânticas no chip (set/2007)

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. Eles já vinham trabalhando há anos em dispositivos de ‘estado sólido’… na criação de computadores quânticos. Agora, fizeram se comunicar ‘átomos artificiais’  supercondutores (qubits)…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, produziu-se fótons individuais em microondas, de modo controlável, 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 óticas. – Ele assim, atinge o qubit, passando a informação codificada. – A possibilidade de ‘comunicação à distância’ entre os qubits é essencial no ‘processamento quântico‘ de informações. (avanços rumo ao computador quântico)

“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‘.

chip-quantico-3

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 tradicionais ‘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 ‘transmissão‘ dessas informações… – Dessa maneira, será possível construir múltiplos circuitos quânticos funcionando em série… – de maneira similar aos ‘circuitos lógicos’ em processadores eletrônicos convencionais. E assim, então…a longo prazo, um computador quântico ajustado por uma ‘caminhada quântica de múltiplos fótons‘ poderá simular alguns dos processos regidos pela própria ‘mecânica quântica’ … como a supercondutividade, e 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; pois já foi resolvido o problema da interação entre partículas…no dispositivo”.

chip-quantico-fotonico

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 fotônico    Um ‘circuito quântico fotônico’ de estado sólido é apenas uma das diversas plataformas, hoje em pesquisa — na ‘construção’  de um “computador quântico”.

Cálculos com qubits empregam supercondutores ‘ultra-frios’… e neles — para se manter estáveis, os qubits precisam ser ‘isolados’ o que é uma barreira para que 2 ou mais deles, possam interagir.  Contudo agora – superado esse problema … ficou demonstrado que dois ‘transistores de silício’, operando como qubits numa porta lógica quântica…podem rodar cálculos simultâneos.

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 portanto que todos processadores eletrônicos funcionam…disse Menno Veldhorst, da Universidade de Nova Gales do Sul…Austrália:  “Transformamos esses transistores de silício em bits quânticos — garantindo que cada      um tem apenas 1 elétron associado. A seguir – armazenamos o código binário (0 ou 1)      no spin do elétron, associado que está com um pequeno campo magnético do elétron”.

transistor-atomico-1

Micrografia eletrônica do transístor quântico de um único átomo de fósforo sobre silício.[Tan et al./Nano Letters]

‘Transístor quântico‘… (dez/2009)  Transistores amplificam os “sinais“, para que estes atravessem uma série de portas, em um microprocessador.

Efeitos quânticos destroem as clássicas regras dos transistores eletrônicos… ao referendar comportamentos aplicáveis à computação quântica…Em um efeito, considerado como a ‘fronteira final’ da eletrônica; similar a uma ‘zona neutra‘ de quase harmonia… com ‘spintrônica’ e ‘computação quântica’…construiu-se um transístor (de silício), formado por um único átomo (de fósforo).

Observe-se que, em realizações anteriores, um transístor atômico                e…um transístor molecular foram construídos… – entretanto, em específicas ‘configurações laboratoriais’… – 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…(em consequência)…o seu funcionamento.

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’ 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… – Quanticamente… porém, a função de onda dessa “partícula” não assume um valor zero instantaneamente… assim, ela irá atravessá-la (em função de sua energia…e, da espessura da barreira)Um transístor clássico só pode assumir um dentre 2 estados – ligado ou desligado…cada um deles representando…0 ou 1.  O transístor de um único átomo porém, funciona com base no tunelamento sequencial de elétrons desse átomo…nos eletrodos do transístor. Então,    o tunelamento pode ser liberado… ou suprimido, controlando-se a tensão no finíssimo ‘eletrodo

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. (texto base)

transistor-de-tunelamento

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

Transístor de “tunelamento quântico”

Computadores baseiam-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 síntese … 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 semicondutores têm sido bem eficazes, mas muito pouco econômicos… – desperdiçando energia demais… – na forma de “calor”.

Para tentar resolver esses problemas, Chee Huei Lee, da Universidade Tecnológica de Michigan, EUA, acaba de apresentar uma alternativa. Sua nova técnica traz 2 avanços importantes… – O 1º é…em vez de tentar esculpir transistores cada vez menores… em grandes pastilhas…utilizar ‘nanotubos‘…que são tipicamente “montados“…de baixo,      para cima, a partir do nível molecular… – O 2º…é a própria arquitetura do transístor;    que sai dos semicondutores…passando a mesclar materiais isolantes com condutores.

transistor-tunelamento-quantico

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 disparam pelo tubo, que é isolante. Em vez disso, com toda precisão,      eles saltam…de ponto quântico em ponto quântico…por meio de um fenômeno bem conhecido (tunelamento). Como explica o coordenador da equipe, Yoke Khin Yap:

“Imagine que os nanotubos são um rio… com um eletrodo em cada margem… Suponha    um caminho de pedras até o outro lado do rio. Elétrons pulam sobre as pedras de ouro, que de tão pequenas… – só têm um elétron…em cada pedra…de cada vez. — Todos eles atravessam da mesma forma — fazendo com que o dispositivo … fique 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  **********************************************************************************

Circuito integrado quântico mais complexo já construído  (jan/2014)

ci-quantico

A grande vantagem da fotônica baseada no silício é que os chips podem ser construídos com as técnicas usadas para a atual microeletrônica baseada no processo CMOS. [Imagem: Thompson Group/Bristol University]

Em 2011 uma equipe de físicos e engenheiros da GRB, Japão e Holanda, criou o primeiro chip fotônico quântico multiuso. No ano passado… eles colocaram a 1ª versão do seu — processador quântico disponível na internet gratuitamenteAgora a equipe obteve um ganho adicional…ao produzir…um circuito quântico fotônico integrado… utilizando técnicas idênticas às usadas na fabricação dos atuais “circuitos integrados”. – O que torna este dispositivo o circuito integrado quântico… — atualmente, mais complexo… construído a partir  de um único material…silício.

O chip é capaz de gerar fótons entrelaçados… – o “entrelaçamento quântico”…juntamente com a “superposição” são fenômenos essenciais ao processamento e transmissão quântica de informações. – O circuito consiste de 2 fontes de fótons individuais…já entrelaçados, o que torna o chip adequado para…virtualmente, qualquer experimento de ‘processamento quântico’… – além de experimentos em ótica quântica, e fotônica. (Gerar os dois fótons já entrelaçados significa que – além de serem produzidos por fontes idênticas, eles próprios são virtualmente idênticos…em todas as propriedades imagináveis.) ********(texto base)

computador-quantico-ibm-internet

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

Processador quântico (maio/2016)

Seguindo os passos dos pesquisadores da Universidade de Bristol, Inglaterra, que, em 2013, disponibilizaram grátis, via internet um processador quântico, a IBM acaba de anunciar, livre acesso também ao seu processador quântico.

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

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)

computador-quantico-ibm-internet-1

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”…  Além disso…a IBM desenvolve um processador de 17 qubits – capaz de executar… ‘códigos de correção de erros‘ … essenciais para ‘computadores quânticos‘.

Processador fotônico usa fótons individuais como bits (jul/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

Recentemente, outra equipe foi ainda mais fundo…construindo uma porta lógica que envolve, não feixes de luz… mas, “fótons individuais”… – como ‘qubits‘,  processando os dados… Fótons são ideais… — para “transmitir informações” — porque não há interação entre si (sem perdas), mas, isso os torna inadequados ao processamento – quando os bits precisam interagir entre si.

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. Assim, o ressonador amplifica o campo luminoso do fóton – permitindo uma interação direta ‘átomo-fóton‘. Como resultado, o estado atômico é alterado pelo fóton, quando este está sendo refletido pelo espelho. – Tal alteração é detetada pelo 2º fótonao chegar ao espelho, logo depois.

Os dois fótons nunca estão no mesmo lugar, ao mesmo tempo, e portanto, não se veem    um ao outro diretamente. – No entanto, uma interação máxima entre eles foi realizada no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (“MPQ“). A equipe afirma que essa porta lógica de fótons viabilizaria o ‘processamento óptico das informações‘…como assim 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)

“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 atômico” (dez /2009)  “transistor óptico-quântico” (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)********************************

Projeto prático, para a construção de um computador quântico (fev/2017)        ‘O projeto, disponibilizado para que outras equipes tentem construir seus próprios protótipos, é resultado do trabalho da equipe de pesquisadores da Google (EUA) e          das universidades de Sussex (GRB), Aarhus (DNK), Riken (Japão), Siegen (GER)’.

projeto-computador-quantico-erros

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 revolucionem…ciência,  indústria e transações banco/comerciais.

projeto-computador-quantico-camaras

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 problemático, para uma quantidade de qubits capaz de efetuar cálculos triviais. Nesse caso a equipe preferiu usar microondas.  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 – tal transporte de dados por qubits será efetuado sob a ação de ‘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 mil vezes mais rápidas, em comparação com tecnologia de fibra, embora resulte num equipamento muito maior.

projeto-computador-quantico-modulo

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 do módulo.  Em termos práticos, um ‘computador quântico modular’…como o agora projetado, deverá ocupar um enorme espaço, repleto de sofisticados aparelhos de vácuo, a fim de manter os qubits livres de interferência, nos circuitos integrados de silício. A instalação lembrará os prédios dos ‘supercomputadores’ atuais…mas, com o aspecto parecido a 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)

Computação atômica x Computação analógica (mar/2017)                                              Pequenas máquinas lógicas feitas de átomos individuais, poderão tornar a computação mais eficiente que ‘supercomputadores’, e mais simples que os computadores quânticos’.

Uma colaboração internacional… liderada por Barbara Fresch – da Universidade de Liége, Bélgica, afirma que suas nanomáquinas podem superar a computação binária para uma grande gama de problemas, pois… – “A implementação aproveita a ‘natureza estocástica’ do ‘tunelamento eletrônico’, enquanto a saída permanece do tipo corrente macroscópica, cuja leitura, pode ser feita através das técnicas padrão”  como explicou a pesquisadora.

maquinas-nano-logica-2

(A) Imagem topográfica da pastilha de silício mostrando o átomo de fósforo. (B) Função de onda do elétron ligado ao átomo. [Fresch et al.]

“Tunelamento atômico”

As nanomáquinas são átomos de fósforo – posicionados por meio de uma “técnica padrão” da indústria, conhecida como ‘dopagem‘… em um cristal de silício com aproximadamente de 200 bilhões de átomos por cm². Graças ao ‘tunelamento’, elétrons se movem ao acaso… pelos… — ‘átomos de fósforo‘.

Porém – vistos como ondas…os elétrons simplesmente “se transmitem” de um átomo a outro, desprezando qualquer barreira sólida. Como cada átomo de fósforo mantém 1 ou 2 desses elétrons, e cada elétron pode ocupar diferentes ‘níveis de energia’…então, cada átomo pode ocupar pelo menos um…de 4 estados possíveis…e fica “transicionando” de      um para outro, obedecendo a um certo conjunto calculável de probabilidades. Assim, o temido ‘ruído‘, que tanto atrapalha experimentos em nível atômico… aqui, é a própria base de funcionamento do circuito…demonstrando que esse sistema pode ser utilizado    em alguns problemas computacionais…como uma nova forma de simulador quântico“.

Como ‘prova natural’ do conceito visto acima a equipe analisou um fluxo      de visitantes em um labirinto… composto por 4 salas – todas conectadas por portas. A tarefa é encontrar a melhor combinação de “frequência da abertura” das portas a fim de maximizar o tempo de visita em cada sala.

maquinas-nano-logica

Os 4 estados do átomo (esquerda) representam as 4 salas do problema. O tunelamento dos elétrons simula o movimento das pessoas entre as salas (direita). [Fresch et al.]

Solucionar esse tipo de problema com a computação convencional requer uma quantidade significativa de cálculos, pois envolve análise da dinâmica dos visitantes no labirinto, para coletar informações; ainda antes da otimização do ritmo de abertura das portas. – Com os ‘dispositivos lógicos atômicos‘…porém, é possível achar a solução mais diretamente… pois o problema está fisicamente incorporado ao próprio ‘hardware’ (a topologia do labirinto…corresponde aos estados atômicos – e a ação dos visitantes, ao tunelamento dos elétrons).

A mera amostragem de um nº…pseudo-aleatório…de uma distribuição de probabilidade, num computador moderno, requer centenas de instruções;    já no tunelamento de elétrons em tempos aleatórios, o processo é natural.

Os resultados são lidos em um ‘microscópio de tunelamento’…por correntes elétricas, ou seja, trata-se basicamente de uma “computação analógica”…Sua dinâmica é governada por uma…’lei probabilística’… devido à natureza estocástica fundamental dos processos quânticos, e termalmente ativados. A aplicação mais direta é então — usar ‘dispositivos de nanoescala’ para a implementação de algoritmos probabilísticos que requeiram uma sobrecarga significativa, num hardware determinístico convencional. (texto base)

Anúncios

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
Esse post foi publicado em Computação e marcado , , . Guardar link permanente.

Uma resposta para Design atômico para ‘Computadores quânticos’

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s