“Circuitos Quânticos Integrados”

Um ‘computador quântico’, para efetuar seus cálculos, ao invés de transistores, utiliza as propriedades quânticas dos átomos. Um transístor só pode assumir um dentre 2 estados: ligado ou desligadorepresentando cada um deles zero ou um. – Já os componentes de um computador quântico podem ser manipulados…de modo a estar em diversos estados, simultaneamente. Desse modo, podem processar – exponencialmentemais informação.

Num trabalho assinado porDavid Kielpinski, Christopher Monroe e David Wineland… todos cientistas do MITfoi publicado um estudo na “Nature” propondo um design de ‘computador quântico’ cuja estrutura, como já demonstrada experimentalmente em pequena escala… — se baseava num grande número de ‘armadilhas iônicas‘… então desenvolvidas pelo “National Institute of Standards and Technology” (NIST), onde estes íons podiam ser armazenados, observados e manipulados… Dessa forma, estudos anteriores sugeriam a possibilidade da criação de um “computador quântico” em uma única “armadilha”. Entretanto… esse tipo de manipulaçãoapresenta imensas dificuldades técnicas o que, teoricamente, limitaria um computador … a umas poucas dezenas de íons.

Para construir um computador quântico de larga escala os pesquisadores do MIT sugerem uma “arquitetura” consistindo em um grande nº de pequenas armadilhas interconectadas. Alterando a voltagem de operação destas armadilhas…eles poderiam confinar poucos íons em cada uma delase fazer com que estes se movimentem entre elas uma possibilidade cujos experimentos já demonstraram. As conexões entre as armadilhas permitiriam então, a comunicação entre os conjuntos de íons. – Desse modo, esse esquema de movimentação entre armadilhas permitiria a criação…tanto de memórias, quanto de circuitos de cálculos.

Os pesquisadores já demonstraram experimentalmente a eficiência do transporte              de íons entre duas armadilhas situadas a 1,2 mm uma da outra. — O experimento        demonstrou estabilidade no…”estado eletrônico”…indicando assim que o método      funciona e poderá permitir a construção de computadores quânticos. (texto base**************************************************************************

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’)

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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]

Cada uma dessas abordagens gerou o que se chama ‘designs de funcionamento de computadores quânticos. A arquitetura Kane – em homenagem…ao físico Bruce Kane, seu criador) – é um desses designs. Em 1998, Kane lançou a ‘hipótese‘…de se construir um ‘computador quântico’, que guardasse suas próprias informações, no interior de “átomos dopantes” colocados dentro de uma “pastilha de silício”. – Tal processo está na base da eletrônica atual.  Existia…contudo, um problema com esta ideia — ninguém havia ainda conseguido ler informação armazenada em…’átomos dopantes’. – Teoricamente 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 muito utilizado na dopagem pela indústria eletrônica, logrou codificar informações digitais dentro do spin desses núcleos atômicos. Campos elétricos foram então unidos externamente…a fim de processar…e, ler os dados.  **********************************************************************************  

Lendo dados armazenados como spins                                                                              Controlado pela 1ª vez o spin de um único elétron dentro de uma nanoestrutura,        e registrado o seu movimento…depois de ser girado em todas direções possíveis.

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Além da “carga elétrica”, o elétron se comporta como um minúsculo “ímã”,  graças à sua rotação intrínseca (spin) sobre o próprio eixo – o que permite sua utilização no armazenamento de ‘informações binárias’. Dessa forma, espera-se que esse spin opere — tal como um bit quântico, ou qubit, na construção de um … “computador quântico“, que funcione com base, não na carga… mas nos spins dos elétrons. – Como a maioria dessas experiências é feita utilizando-se de “pontos quânticos” (uma espécie de armadilha magnética que aprisiona vários elétrons juntos), manipular 1 único elétron permanecia até então,      um…enorme desafio…a ser vencido.

A razão para isso…é que o mesmo ‘campo magnético‘…com oscilação muito rápida (alguns bilionésimos de segundo), usado para girar o spin do elétron, gera padrões de interferência que tornam difícil seguir mantendo o elétron… “preso”… – Porém agora, pela primeira 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. Tendo repulsão nesse elétron, haveria rotação induzida do spin.    **********************************************************************************

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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 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.  *******************************************************************************  Qubits positivos – Os spins das lacunas, quando comparados aos spins dos elétrons, permitem guardar dados no mesmo estado físico por um tempo 10 vezes maior.  —  Ao contrário dos spins dos elétrons, spins de cargas positivas não interagem com spins do núcleo, o que os torna muito mais estáveis. (qubit-positivo). ‘Qubits codificados no tempo‘ – Apesar das “estranhezas” da mecânica quântica… é fácil ver que o qubit está implementado num sistema físico real — um cristal, uma nuvem de átomos de rubídio, uma vacância de nitrogênio no diamante etc. Nos fótons, por exemplo, a informação pode ser codificada na polarização, momento angular…ou, em outro grau de liberdade      da luz. – Mas as possibilidades não se esgotam aíA mais nova proposta à serviço dos projetistas de computadores quânticos é o ‘qubits-codificado-no-tempo’ – onde, o que define o ‘dado a bordo’ do qubit é o momento no qual o fóton ‘desembarca’ no circuito.  *******************************************************************************

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.

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As diferenças no formato e na aparência de cada um dos átomos de cobalto são devido a diferenças na direção dos seus spins. [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.

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 na…”spintrônica” (1 bit/átomo)…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 … usa 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)  ************************************************************************************

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Informação quântica codificada em fótons, transferidos à distância, sem desconexão.

Informações quânticas no chip‘  “O 1º ‘barramento-quântico’ que se tem notícia”.

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’.

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… Para fazer com que os qubits se comunicassem à distância…dois avanços revolucionários foram feitos … de uma só vez… — A princípio, fótons individuais foram produzidos em microondas…sob controle e sob demanda, para – conforme elétrons, na eletrônica clássica, transportarem informações quânticas; como explica Andrew Houck:

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*********************************************************************************

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Representação gráfica da caminhada quântica de 2 fótons. O tamanho, a cor e intensidade dos pontos luminosos correspondem à probabilidade dos 2 fótons aparecerem em cada local do circuito. 

“Chip quântico fotônico”                        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 outro lado, começou a ser explorado recentemente.

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”.  *********************************************************************

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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 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”.    ********************************************************************************

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Micrografia eletrônica do transístor quântico de um único átomo de fósforo – envolto em um aparato de silício.  [Fotografia: Tan et al./Nano Letters]

‘Transístor quântico‘                  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 serem usados na computação quântica. Em um efeito considerado…a fronteira final da eletrônica…similar a uma zona neutra semi-harmônica da spintrônica, com computação quântica… construiu-  se um transístor (de silício) – formado por apenas um único átomo (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***********************************************************************************

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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 2ºé a própria arquitetura do transístor;    que sai dos semicondutorespassando 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. 

Nanotubos de…nitreto de boro‘, um dos materiais mais duros do mundosão 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 elétronspor 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 a 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 nanotubos são um rio, com um eletrodo em cada margem. Suponha        agora um caminho de pepitas de ouro até o outro lado do rio. Elétrons pulam sobre              elas – que de tão pequenassó têm 1 elétronem cada pedra, de cada vez. – Todos 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 correnteo 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)                      A grande vantagem da fotônica baseada no silício…é que os chips podem ser construídos com as técnicas usadas para a atual microeletrônica, que são baseada no processo CMOS.

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 [Imagem: Thompson Group/Bristol University]

Em 2011 uma equipe internacional de físicos e engenheiros criou o primeiro ‘chip fotônico quântico multiuso‘. – Então, no ano passado, eles lançaram a 1ª versão de um processador quântico disponível…(de graça)…na internet. Agora 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 mais complexo “circuito integrado quântico” já construído, com base exclusiva no 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***********************************************************************************

Computação quântica em silício                                                                                              “As peças principais para montar um computador quântico estão saindo da oficina”.

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Ilustração de 2 transistores de silício funcionando como qubits, baseados num único elétron em cada transístor. [Tony Melov]

Foi demonstrado, pela 1ª vez, que      2 transistores de silício, operando como qubits podem fazer cálculos.  Estes cálculos até hoje, têm usado supercondutores ultra-frios… que são mais fáceis para se manipular.  No silício…os qubits precisam ser isolados…para serem estáveis – o que dificulta interações – para os cálculos. Mas agora, M Veldhorst        e pesquisadores da ‘Universidade    de Nova Gales do Sul’… Austrália, puderam superar tal dificuldade.

Porta lógica quântica                                                                                                                  “Nós transformamos esses transistores de silício em bits quânticos ao                                garantir que cada um tem apenas um elétron associado. Em seguida,                                  armazenamos o código binário de 0 ou 1 no spin do elétron, o qual                                      se encontra associado a um pequeno…’campo magnético’ do elétron”.

O componente mede o spin de 2 elétrons, e segue as instruções. Se o 1º 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 em um computador. Repetir essa mesma lógica simples, criando “sequências de portas”, permite realizar cálculos mais e mais complexos…E é assim que todos os clássicos ‘processadores eletrônicos’ funcionam.

Este é um grande avanço no desenvolvimento dos computadores quânticos, mas            com algumas ressalvas. – Inicialmente, embora seja mais fácil construir versões          maiores, e mais complexas… – qubits baseados em silício…ainda estão atrás dos supercondutores em termos de eficiência. – O que não diminui o potencial deste          avanço – em termos de escalonamento econômico…e integração em larga escala.  ***************************************************************************

“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 quântico (2014) ‘comput-quântica–silício’ (2015) ‘moléculas armazenando dados’ (2019)  ***********************************************************************************

“Flip-flop qubits”inventado novo design radical de computação quântica        “Será necessária uma ótima engenharia…para levar a computação quântica à realidade comercial, e o trabalho dessa equipe é um extraordinário exemplo de como a “UNSW”, bem como muitos grandes centros de pesquisa do mundo…está hoje no coração de um sofisticado sistema global de conhecimento, moldando nosso futuro”. (Mark Hoffman)

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Artist’s impression of the ‘flip-flop‘ qubits exhibiting quantum entanglement. [Tony Melov/UNSW]

Engenheiros da Universidade de New South Wales (UNSW)…Austrália, inventaram uma nova arquitetura radical para a computação quântica, baseada em ‘flip-flop qubits’…que promete fabricar ‘chips quânticos‘ em larga escala … de forma muito mais fácil e barata, do que se pensava possível… O novo design, bem detalhado no Nature Communications, permite otimizar um ‘processador quântico’ de silício sem a precisa alocação de átomos, exigida ‘ao extremo’, em outras abordagens.

O novo sistema permite que os bits quânticos (‘qubits’) – a unidade básica de informação em um computador quântico…sejam colocados a centenas de nanômetros de distância… e, ainda assim… – permaneçam acoplados.

O design foi concebido por uma equipe liderada por Andrea Morello, Gerente do “Centro em Tecnologia de Computação e Comunicação Quântica” da ‘UNSW’ – e… segundo ele, a fabricação do novo design poderá ser facilmente alcançada pela tecnologia de hoje… — O pesquisador brasileiro Guilherme Tosi…autor principal, desenvolveu o conceito pioneiro junto com Morello e os co-autores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt, e Stefanie Tenberg,  do mesmo Cenro de Pesquisa…com a ajuda dos colaboradores Rajib Rahman, e Gerhard Klimeck, da Purdue University nos EUA. E Morello, explica desse modo o novo conceito:     “O que Guilherme e a equipe inventaram é uma nova maneira de definir um ‘spin qubit’, usando tanto o elétron, quanto o núcleo do átomo. — Assim, pode-se controlar este novo qubit por sinais elétricos, em vez dos magnéticos; sendo sinais elétricos muitíssimo mais fáceis de distribuir e localizar dentro de um chip eletrônico É um design brilhante!”.

Problemas com ‘armadilhas iônicas’                                                                                  “Se eles estão muito próximos, ou muito distantes, o ‘emaranhamento’ entre bits quânticos…que faz computadores quânticos tão especiais…não ocorre”. (G. Tosi)

No outro extremo do espectro estão os ‘circuitos supercondutores’adotados, por exemplo, pela IBM e Google…de armadilhas iônicas… Esses sistemas são grandes…e relativamente fáceis de fabricar – liderando atualmente no nº de qubits – que podem ser “alocados”. Porém… por suas dimensões maiores arriscam enfrentar desafios, no longo prazo, quando exigidos a operar, com milhões de qubits – em “algoritmos quânticos de teor mais relevante.

Guilherme Tosi, nascido em São Paulo, e graduado da Universidade Federal de Minas Gerais disse que o projeto previne o desafio … que todos qubits de silício baseados em      spin (propriedade magnética das partículas sub-atômicas) deveriam enfrentar, ao se construir matrizes de qubits cada vez maiores a necessidade de espaçá-los, a uma distância de apenas…10-20 nanômetros — ou seja separados por apenas 50 átomos.  Pesquisadores da ‘UNSW’ já são líderes no mundo em fazer spin-qubits nessa escala, mas, como comentou Morello…“Se quisermos fazer uma série de milhares ou milhões        de qubits tão próximos, então todas linhas de controle e dispositivos de leitura devem          ser fabricados nessa mesma escala…com mesma densidade de eletrodos. – E aí nosso conceito sugere outro caminho…Essa nova abordagem baseada em silício fica bem no ponto ideal. Além de ser mais fácil de fabricar, do que dispositivos em escala atômica, ainda permite colocar um milhão de qubits em um milímetro quadrado”. No qubit de átomo único usado pela equipe de Morello, onde o novo design de Tosi se aplicaum      chip de silício é coberto com uma camada de óxido de silício isolante – acima do qual        há um padrão de ‘eletrodos metálicos’ operando a temperaturas próximas do 0ºK, na presença de um forte campo magnético. No centro está um átomo de fósforo, no qual          a equipe de Morello construiu 2 qubits funcionais usando um elétron e o núcleo do átomo. — Tais qubits individualmente atingem tempos recordes de coerência.

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Representação artística de um “flip-flop qubit” conectado a uma matriz de silicone no chip. [Guilherme Tosi]

A descoberta de Tosi…envolve a criação de um tipo completamente novo de qubit, utilizando, ambos…o núcleo e o elétron. Nesta abordagem, o estado ‘zero’ é definido … quando o ‘spin‘ do elétron está pra baixo…e, o spin do núcleo está pra cima… – enquanto o estado ‘1’, é quando o spin do elétron está pra cima, e o spin nuclear, está para baixo…conforme disse Tosi… “Nós o chamamos ‘flip-flop‘ qubit… – Para operá-lo, precisamos…desviar levemente… o elétron do núcleo, usando os eletrodos na parte superior. Assim, ao fazê-lo, criamos um dipolo elétrico”.

“Este é o ponto crucial…Estes dipolos elétricos interagem uns com os outros em distâncias muito grandes, uma boa fração de um mícron, ou mil nanômetros. Isso significa que agora podemos colocar os qubits atômicos muito mais separados, do que se pensava ser possível. Então, conseguimos espaço suficiente para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, eletrodos de controle e dispositivos de leitura – mantendo a natureza precisa do bit quântico do átomo”, acrescentou Morello, que classificou o conceito de Tosi, tão significativo quanto o artigo seminal de Bruce Kane em 1998 na “Nature”…Nele, Kane, então na ‘UNSW’ elaborou a 1ª arquitetura para computador quântico com base em silício.

“Como o artigo de Kane, esta é uma teoria, uma proposta – o qubit tem ainda que ser construído”, disse Morello. “Nós temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é totalmente possível, então estamos trabalhando para demonstrar isso, completamente…Mas acho que isso é tão visionário quanto o artigo original de Kane”.

A construção de um computador quântico vem sendo chamada de ‘corrida espacial‘ do século 21 – um desafio difícil e ambicioso…com o potencial de fornecer revolucionárias ferramentas para abordar cálculos antes impossíveis…incluindo aí…uma infinidade de aplicações úteis: na saúde, defesa, finanças, química, desenvolvimento de materiais…e, arquitetura de softwares, indústria aeroespacial, transportes, etc… — Sua velocidade, e poder estão no fato de que os sistemas quânticos podem…simultaneamente…hospedar múltiplas ‘superposições’ de diferentes estados iniciais…aliado a um ‘emaranhamento’, que só ocorre … ao nível quântico das partículas fundamentais. (texto base – set/2017******************************(texto complementar)******************************

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Diagrama do processador quântico de 5 qubits [IBM]

Processador quântico (mai/2016)  Enquanto o chip da “Universidade de Bristol” conta com 2 qubits…a versão que a IBM colocará online…possui 5.

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’.

As 2 equipes já estão trabalhando, em versões atuais 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… – importantes informações serão obtidas, ajudando a desenvolver versões mais sofisticadas…como disse Jerry Chow:

“Estamos ansiosos para sermos surpreendidos pelos algoritmos                  testados pelos usuários. — Queremos saber aonde as coisas não    funcionam tão bem…e a estabilidade do experimento no tempo”.

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

IBM lança seu primeiro computador quântico comercial (jan/2019)                          Embora ainda não em escala comercial, o Google já revelou detalhes do seu computador quântico… — enquanto isso … a Intel construiu um processador quântico com 49 qubits. 

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O gabinete futurístico, medindo 2,70 metros de aresta, associa a imagem dos computadores quânticos à dos tradicionais mainframes. [Imagem: IBM]

A IBM confirmou o lançamento do seu 1º  computador quântico projetado para uso comercial, conforme havia anunciado no ano passado… O sistema…batizado de “IBM Q System One” – não será vendido, mas alugado – e os futuros clientes farão seus cálculos quânticos… pela internet.  O anúncio é um esforço de marketing em buscar estabelecer alguma…”supremacia comercial”…mais do que técnica…Afinal, com seus 20 qubits…o equipamento está longe de atingir asupremacia quântica; ponto a partir do qual…os processadores quânticos deverão superar os clássicos eletrônicos, o que se estima exigir pelo menos 50 qubits… – Com efeito…o primeiro teste comparativo de processadores quânticos – mostrou resultados um tanto decepcionantes.

O equipamento da IBM combina sessões computacionais quânticas e eletrônicas…para permitir o acesso via internet…e, a manipulação dos complicados algoritmos quânticos, sendo um upgrade do computador quântico de 5 qubits disponibilizado via internet em 2016. – Como novidades…há uma interface mais amigável, que permite aos algoritmos quânticos serem inseridos por meio de…’linguagens de programação’ comuns…como a “Python”, e um invólucro futurístico… – uma caixa quadrada de 2,70 metros…onde vai embutida toda a parafernália eletrônica e quântica – além de um sistema de ‘criogenia’, necessário para manter os qubits estáveis… — dentro de suas “armadilhas magnéticas”.

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O processador quântico possui 128 qubits supercondutores e 24.000 componentes conhecidos como junções Josephson, ou qubits de fase Josephson. [Imagem: D-Wave]

Computadores quânticos no mercado

A “IBM“…não é a primeira empresa a oferecer um ‘computador quântico’, para uso comercial. A…”D-Wave Systems” – que apresentou seu ‘processador quântico’ em 2007 — fez parceria com a gigante aeroespacial “Lockheed Martin”, em 2011… já vendendo seu sistema… há vários anos. – O processador quântico “D-Wave” tem 128 qubits … e foi alvo de dúvidas … sobre seu funcionamento — por não ser um processador universal (projetado p/… cálculos específicos), mas testes provaram ser quântico. (texto base) *******************************************

Bit quântico de grafeno é bem mais que um qubit (mai/2017)                                        “A grande novidade é que o Qbit é na verdade um capacitor — um componente eletrônico básico capaz de armazenar energia e liberá-la em pulsos muito rápidos. A diferença é que, dadas suas dimensões — é um capacitor que opera segundo as leis da mecânica quântica”.

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O qubit capacitivo é formado por duas camadas de grafeno ensanduichando uma camada de nitreto de boro. [EPFL/ LPQM]

Nasceu o mais novo componente, que deverá acelerar… ainda mais uma corrida, cujos competidores parecem cada vez mais próximos da linha de chegada na criação de ‘computadores quânticos’…de uso prático. Trata-se de um Qbit,    a unidade básica…que armazena dados e cálculos desses incríveis computadores futurísticos. EsseQbit capacitoré construído por séries empilhadas de grafenoe uma camada central de matéria.

A grande vantagem é que o componente se mostrou muito estável – capaz de resistir ao calor, que faz os qubits perderem dados muito facilmente. Nessas dimensões quânticas, virtualmente tudo é interferência – o que exige o uso de temperaturas criogênicas, para tentar diminuir a energia do meio circundante, e seu poder de interferência com o Qbit.

Capacitor como Qbit

Sina Khorasani e Akshay Koottandavida, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, tiveram a ideia de explorar o uso de um capacitor como Qbit, justamente porque seu princípio de funcionamento o torna mais resistente às interferências externas…pois em vez de ser influenciado por “partículas externas”, ele pode simplesmente guardá-las como energia. – Além disso…é mais fácil fabricar um tipo de…”nanocapacitor“… que também fica menor do que outras arquiteturas de qubits atualmente pesquisadas.        O componente consiste em camadas do isolante ‘nitreto de boro’ ensanduichadas entre      2 camadas de grafeno… – Graças às propriedades pouco usuais do grafeno, a carga que entra no capacitor não é proporcional à tensão – essa…não-linearidadecom efeito,      é uma etapa essencial no processo de gerar ‘bits quânticos’. – Essas características, por consequência…o tornam útil também noutras aplicações da interface óptica/eletrônica.

Este componente pode melhorar significativamente a forma como a informação quântica é processada, mas também há outras aplicações em potencial. – Por exemplo: criar circuitos de alta frequência fortemente não-lineares (até o regime terahertz), ou ainda…em “mixers” (misturadores), amplificadores…e para o acoplamento ultraforte entre fótons. (texto base)

Grafeno poderá definir a próxima fase da revolução tecnológica?                        Preparando-se para suceder os já convencionais nanomateriais de silício,                      materiais em escala atômica são o próximo estágio da fronteira tecnológica.

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Grafeno – ilustrado aqui como sua estrutura molecular.

Todas as épocas da história da civilização humana…têm um material característico, desde a Idade da Pedra – até as idades de Bronze e Ferro. — Podemos até chamar a sociedade atual de informação de ‘Era do Silício’. — Desde a década de 1960… suas ‘nanoestruturas‘, os blocos de construção de microchips…impulsionam eletrônicos, comunicações, manufatura, medicinae muito mais. Podemos então perguntar quão pequenas, são tais nanoestruturas?

Muito, muito pequeno – podemos colocar pelo menos 3 mil transistores de silício na ponta de um fio de cabelo humano. – Todavia…há um limite: abaixo de cerca de 5 nanômetros (5 milionésimos de milímetro)… é difícil melhorar ainda mais o desempenho dos dispositivos de silício Mas, nesse caso, se estamos prestes a esgotar o potencial dos nanomateriais de silício, qual será o nosso próximo material padrão?… – É aí que entram os…atomateriais“.

“Atomateriais” é a abreviação de “materiais atômicos”, assim chamados porque suas propriedades dependem da configuração precisa de seus átomos. É um campo novo,      mas em rápido desenvolvimento…Um exemplo é o grafeno, que é feito de átomos de carbono Ao contrário do diamante, no qual estes átomos de carbono formam uma estrutura tridimensional rígida, o grafeno é composto exclusivamente de uma única camada de átomos de carbono, unidos em uma treliça de favo de mel bidimensional.

A estrutura rígida do diamante é a razão de sua consistência e longevidade. Já a forma bidimensional de átomos de carbono no grafeno…permite aos elétrons…viajar em alta velocidade sem atrito, proporcionando máxima condutividade, e excelente resistência mecânica. Dessa forma são inúmeras as aplicações do grafeno na medicina (próteses), circuitos eletrônicos…armazenamento de energia, processamento de luz, filtragem de água, etc. Com a ajuda de lasers, é possível converter essas bidimensionais estruturas atômicas de carbono, em dispositivos miniaturizados…com desempenho excepcional. 

Qual será o próximo passo?

Pode ainda levar anos … para que alguma dessas tecnologias experimentais chegue a bom termo. Para tentar acelerar o processo foi criada a CTAM Global OpenLab para junto com a indústria, academia, governo e a comunidade em geral promover o compartilhamento e a colaboração… O laboratório foi lançado no início deste mês (fev/2020) na Conferência Internacional de Ciências e Aplicações de Nanomateriais e Atomateriais (ICNASA2020).

O mundo está enfrentando desafios prementes, das mudanças climáticas … à escassez        de energia e recursos, incluindo nossa saúde e bem-estar. A inovação de materiais é      mais vital do que nunca – e precisa ser a mais eficiente possível – orientada ao design          e adaptação ambiental. E, é consenso que tais desafios só podem ser resolvidos com o esforço conjunto de pesquisadores, empresas, indústrias…e governos em todo mundo unidos pela cooperação através de uma mentalidade aberta às demandas do futuro.

Baohua Jia, Professor daUniversidade de Tecnologia de Swinburne“.                                “The ConversationCreative Commons’, artigo original. fev/2020 *****************************************************************

Memória quântica: capturando e transportando a luz (nov/2020)                              Memórias quânticas, que permitem empacotar e desempacotar informações    armazenadas na luz são ‘essenciais’ para a comunicação em redes quânticas.

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 Uma porção de luz capturada, “aprisionada” e transportada. Foto: Getty / BBC News Brasil

Foi apenas um milímetro à ciência, mas um grande salto para a tecnologia                      quântica…Num experimento recente, uma equipe alemã de pesquisadores                          conseguiu capturar uma porção de luz, “empacotá-la”, e transportá-la para                        outro lugar…Tudo ocorreu a uma escala invisível a olho nu…numa ‘câmara                          de vácuo’…sob condições controladas em laboratório. Essa conquista é um                        avanço no desenvolvimento da computação quântica…e das comunicações.

De acordo com Patrick Windpassinger, físico da Universidade de Mainz,                                  e principal autor da pesquisa – publicada na…”Physical Review Letters”:                              “Transportar a luz como se fosse objeto sólido…é um item chave, para a                              capacidade de ser possível transportar a informação, que a luz contém”. 

Correia óptica transportadora — para ‘computadores quânticos’                            Transmitir luz não é algo novo…A luz pode viajar, por exemplo, através de                            cabo de fibra ótica. A diferença é que desta vez a luz foi armazenada numa                    mala de memória quântica de luz e transportada por uma esteira óptica.

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Foto: Windpassinger Group / BBC News Brasil

Windpassinger e sua equipe pegaram minúsculas partículas de luz (fótons),    e as empacotaram em uma mala feita de átomos ultrafrios, de rubídio-87, com alto poder de armazenamento a longo prazo. As ‘memórias quânticas’  carregam todas “informações” da luz.    Os pesquisadores usaram dois feixes de laser para movê-las, de um lado a outro – como uma… “esteira óptica”, por uma curta distânciaapenas 1,2 milímetros, e depois apagaram a luz. 

Por muito tempo…a computação quântica foi concebida como uma tecnologia capaz de resolver problemas complexos em alta velocidade. Os computadores tradicionais usam séries de zeros e uns…chamadas bits, unidades básicas a partir das quais processam as informações e realizam seus cálculos. Um bit pode ser 1 ou 0mas não os 2 ao mesmo tempo. Num computador quântico, por outro lado, a unidade básica é chamada qubit,      e tem o poder extraordinário de ser 0 e 1 ao mesmo tempo. Assim, um computador de qubit pode fazer rapidamente muito mais cálculos, do que uma máquina convencional.

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Cientistas acreditam que no futuro pode haver ‘trilhas’ para transportar luz. Foto: Getty / BBC News Brasil

Computadores quânticos podem ser muito úteis em áreas como o desenvolvimento de medicamentos – estudos climáticose até mesmo inteligência artificial, entre outras. Eles ainda estão em fase de testes, e nesse caso, entre as várias de arquiteturas em andamento, algumas testam partículas de luz – como o… meio de transporte… da informaçãofundamental para o perfeito funcinamento destas máquinas. Mas qual seria afinal a relação entre a “computação quântica”…e o…”experimento luminoso”?

Uma ‘trilha’ de memórias                                                                                                  Memórias quânticas, que permitem informações armazenadas na luz empacotadas e desempacotadas, são ‘essenciais’ para a criação de redes de comunicações quânticas.

Na computação e na comunicação quântica, a luz pode servir como um condutor para uma grande quantidade de dadosbem mais do que ocorre com computadores convencionais. Para um dia tornar os computadores quânticos realidadeé preciso enfrentar o desafio de transportar os dados com segurança e eficiênciasem que se percam no meio do caminho. O problema com a luz é que não é fácil capturá-la. — Windpassinger explica que, ao tentar transportá-la de um lugar a outro de forma controlada, ela geralmente acaba se perdendo.

Usar o método das “malas” de átomos na fita laser permite que a luz seja transportada, localizada e extraída com alto grau de precisão – sem perda significativa de átomos ou superaquecimento, explicam os pesquisadores. — Por esta razão, Windpassinger e sua equipe acreditam que no futuro poderão ser criadas “trilhas” pelas quais as memórias      da luz viajam cujas informações podem ser extraídas em outro lugar… Dessa forma, seriam ampliados significativamente a velocidade e desempenho dos computadores e dispositivos que usamos hoje. – Por enquanto tudo isso está em estágio experimental,        contudo…é mais um passo no campo promissor da computação quântica. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para “Circuitos Quânticos Integrados”

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