O computador quântico do futuro: uma construção simples e inovadora com a tecnologia existente

Espera-se que a computação quântica eficiente permita avanços impossíveis nos computadores clássicos. 

Cientistas do Japão e Sydney colaboraram e propuseram um novo projeto bidimensional que pode ser construído usando a tecnologia de circuito integrado existente. Esse projeto resolve problemas típicos enfrentados pela atual embalagem tridimensional para computadores quânticos ampliados, aproximando o futuro.

A computação quântica está se tornando cada vez mais o foco de cientistas em áreas como física e química e de industriais como a indústrias farmacêutica, de aviões e de automóveis. Globalmente, laboratórios de pesquisa de empresas como Google e IBM estão gastando recursos extensos na melhoria de computadores quânticos, e por boas razões. Os computadores quânticos usam os fundamentos da mecânica quântica para processar quantidades significativamente maiores de informações muito mais rapidamente que os computadores clássicos. Espera-se que, quando a computação quântica com correção de erros e tolerância a falhas for alcançada, o avanço científico e tecnológico ocorrerá em uma escala sem precedentes.

Mas construir computadores quânticos para computação em larga escala está provando ser um desafio em termos de arquitetura. As unidades básicas de um computador quântico são os "bits quânticos" ou "qubits". Estes são tipicamente átomos, íons, fótons, partículas subatômicas, como elétrons, ou elementos ainda maiores que existem simultaneamente em vários estados, possibilitando a obtenção de vários resultados potenciais rapidamente para grandes volumes de dados. O requisito teórico para computadores quânticos é que eles sejam organizados em matrizes bidimensionais (2-D), em que cada qubit seja acoplado ao seu vizinho mais próximo e conectado às linhas e dispositivos de controle externos necessários. Quando o número de qubits em uma matriz é aumentado, torna-se difícil alcançá-los no interior da matriz a partir da borda. 

Um grupo de cientistas da Universidade de Ciência de Tóquio, no Japão, do RIKEN Center for Emergent Matter Science, no Japão, e da University of Technology, Sydney, liderados pelo Prof Jaw-Shen Tsai, propõe uma solução exclusiva para esse problema de acessibilidade de qubit, modificando a arquitetura da matriz qubit. "Aqui, resolvemos esse problema e apresentamos uma microarquitetura supercondutora modificada que não requer nenhuma tecnologia de linha externa 3D e reverte para um projeto completamente plano", escrevem eles. O estudo foi publicado no New Journal of Physics.

Os cientistas começaram com uma estrutura quadriculada de qubit e esticaram cada coluna no plano 2D. Eles então dobraram cada coluna sucessiva uma sobre a outra, formando uma matriz unidimensional dupla chamada matriz bilinear. Isso colocou todos os qubits no limite e simplificou a organização do sistema de fiação necessário. O sistema é 2-D. Nesta nova arquitetura, parte da fiação entre qubit - cada qubit também é conectada a todos os qubits adjacentes em uma matriz - se sobrepõe, mas como essas são as únicas sobreposições na fiação, sistemas 3D locais simples, como pontes o ponto de sobreposição é suficiente e o sistema geral permanece em 2-D. Como você pode imaginar, isso simplifica consideravelmente sua construção.

Os cientistas começaram com uma estrutura quadriculada de qubit e esticaram cada coluna no plano 2D. Eles então dobraram cada coluna sucessiva uma sobre a outra, formando uma matriz unidimensional dupla chamada matriz bilinear. Isso colocou todos os qubits no limite e simplificou a organização do sistema de fiação necessário. O sistema é 2-D. Nesta nova arquitetura, parte da fiação entre qubit - cada qubit também é conectada a todos os qubits adjacentes em uma matriz - se sobrepõe, mas como essas são as únicas sobreposições na fiação, sistemas 3D locais simples, como pontes o ponto de sobreposição é suficiente e o sistema geral permanece em 2-D. Como você pode imaginar, isso simplifica consideravelmente sua construção.

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Mais informações: Hiroto Mukai et al. Circuito de computação quântica supercondutora pseudo-2D para o código de superfície: proposta e testes preliminares, New Journal of Physics (2020). DOI: 10.1088 / 1367-2630 / ab7d7d