Os computadores quânticos, sistemas de computação que processam informações usando efeitos da mecânica quântica, poderiam superar os computadores clássicos em algumas tarefas computacionais. Esses computadores contam com qubits, unidades básicas de informação quântica, que podem existir em vários estados (0, 1 ou ambos simultaneamente), devido a efeitos quânticos conhecidos como superposição e emaranhamento.
Muitos dos computadores quânticos desenvolvidos nos últimos anos são baseados em supercondutores convencionais, materiais que apresentam resistência elétrica zero em temperaturas extremamente baixas. Para operar de forma confiável e exibir supercondutividade, os circuitos baseados nesses materiais precisam ser resfriados até temperaturas milikelvin.
Em computadores quânticos, cada qubit normalmente requer sua própria linha de controle. Isso significa que os engenheiros precisam introduzir vários fios que transportam pulsos elétricos (ou seja, linhas de sinal), e o número de fios necessários aumenta com o número de qubits. À medida que os computadores quânticos crescem, isso pode ser problemático, pois os processadores se tornam mais difíceis de construir e operar de maneira confiável.
Pesquisadores da Seeqc Inc., uma empresa que desenvolve sistemas de computação quântica digital, introduziram recentemente um novo processador quântico que poderia operar de forma confiável e em temperaturas milikelvin, apesar de exigir significativamente menos fiação. Este processador, apresentado em um artigo publicado emEletrônica da Natureza, tem um design exclusivo no qual qubits e seus componentes eletrônicos de controle são integrados em dois chips supercondutores separados, mas conectados.
“O desenvolvimento de plataformas de computação quântica supercondutoras enfrenta desafios de escala consideráveis porque são necessárias linhas de sinal individuais para controlar cada qubit”, escreveram Caleb Jorda, Jacob Bernhardt e seus colegas em seu artigo. "Essa sobrecarga de fiação é resultado do baixo nível de integração entre os componentes eletrônicos de controle em temperatura ambiente e os qubits operando em temperaturas de milikelvin. Uma alternativa promissora é usar eletrônicos de controle digital supercondutores criogênicos que coexistem com qubits."
Superando o desafio da fiação
Para superar os problemas de fiação que até agora impediram o desenvolvimento de processadores quânticos em-escala maior, esta equipe de pesquisa projetou um novo módulo-multichip. Este módulo consiste em dois chips separados, um hospedando qubits e o outro controlando eletrônicos.
Os pesquisadores usaram especificamente eletrônicos de controle quântico de fluxo único, circuitos digitais supercondutores que geram pulsos elétricos muito curtos e precisos por meio de minúsculos sinais magnéticos quantizados. O chip que hospeda esses circuitos foi conectado ao chip que contém circuitos supercondutores usando uma abordagem conhecida como flip-chip bonding.
Essa abordagem envolve colocar chips-face a-face a face e, em seguida, ligá-los por meio de saliências metálicas microscópicas. Todo o módulo multi{3}}chip desenvolvido por Jorda, Bernhardt e seus colegas opera dentro de uma configuração criogênica que o mantém em temperaturas de milikelvin.
"Apresentamos uma unidade de processador quântico ativo na qual qubits e componentes eletrônicos de controle quântico de{0}fluxo único são integrados em um único módulo multi-chip por meio de ligação flip-chip", escreveram os autores. "Nosso sistema usa demultiplexação digital para distribuir pulsos de controle para vários qubits, quebrando assim a escala linear das linhas de controle para o número de qubits. Com esta abordagem, demonstramos fidelidades de -qubits únicos acima de 99% e até 99,9%."
Uma nova abordagem para processadores quânticos de alto nível
O processador quântico projetado por esta equipe de pesquisa tem vantagens notáveis sobre muitos outros processadores quânticos supercondutores introduzidos no passado. Nos testes iniciais, descobriu-se que ele funcionava muito bem, mantendo excelente controle sobre qubits sem a necessidade de fiação extensa.
No futuro, o novo design poderá ser ampliado para criar processadores quânticos maiores que contenham muitos qubits adicionais e possam, assim, potencialmente resolver problemas computacionais mais complexos. Além disso, isso poderia inspirar a introdução de outros módulos quânticos de vários-chips semelhantes que operam de maneira confiável e são mais fáceis de fazer upgrade.
