Hardware de computadores quânticos: como os computadores quânticos são implementados

No artigo anterior intitulado“O básico: como funcionam os computadores quânticos e para onde caminha a tecnologia”, apresentámos uma visão geral dos conceitos fundamentais da computação quântica, incluindo qubits (bits quânticos), superposição e entrelaçamento. Com base nesses princípios, neste artigo apresentaremos uma visão geral de como os qubits são implementados em sistemas físicos reais para tornar possível a computação quântica. Existem muitas abordagens importantes para o design de hardware quântico, cada uma com técnicas diferentes para manter a estabilidade dos qubits e minimizar a decoerência. Entre elas, as abordagens promissoras incluem (1) computadores quânticos de átomos neutros, (2) computadores quânticos de íons aprisionados, (3) computadores quânticos supercondutores e (4) computadores quânticos de qubits de spin. Exploramos os sistemas físicos subjacentes a cada abordagem, discutindo suas vantagens e desvantagens, ao mesmo tempo em que reconhecemos que o desenvolvimento de cada uma delas cria implicações diferentes.

Computadores quânticos de átomos neutros

Os computadores quânticos de átomos neutros operam usando lasers ou campos eletromagnéticos para aprisionar átomos neutros numa região localizada. Nesses sistemas, os átomos neutros servem como qubits, armazenando informações quânticas nos níveis de energia dos elétrons dos átomos ou nos estados hiperfinos dos átomos. Os estados internos dos átomos neutros servem como os estados lógicos |0⟩ e |1⟩ dos qubits. 

Pulsos laser ou eletromagnéticos controlados com precisão são usados para manipular os átomos neutros para inicializar os qubits, realizar operações quânticas e efetuar medições dos seus estados quânticos. Operações de qubit único podem ser realizadas aplicando pulsos de laser ou eletromagnéticos sintonizados para acoplar dois níveis de energia interna selecionados de um único átomo. A duração, frequência e intensidade dos pulsos podem ser ajustadas para alterar o estado do qubit de |0⟩ ou |1⟩, ou qualquer superposição entre eles, para realizar diferentes portas com o átomo único. 

Os computadores quânticos de átomos neutros podem implementar portas de dois qubits aproveitando o efeito de «bloqueio de Rydberg». Para isso, utilizam-se lasers ou pulsos eletromagnéticos para excitar um qubit a um estado de alta energia conhecido como «estado de Rydberg». Ao mudar para esse estado de alta energia, o átomo excitado altera os níveis de energia dos átomos vizinhos, impedindo que esses átomos vizinhos sejam excitados para estados de energia semelhantes. O efeito de bloqueio de Rydberg pode ser usado para estabelecer superposição entre dois átomos vizinhos, produzindo portas multi-qubit.

As vantagens dos computadores quânticos de átomos neutros incluem alta escalabilidade e características uniformes de qubits através de grandes matrizes de átomos comuns. Os pulsos laser e eletromagnéticos também fornecem controle preciso sobre os estados dos qubits. No entanto, capturar e estabilizar átomos neutros é um desafio, pois pequenos desalinhamentos ou alterações de potência nos feixes laser podem fazer com que os átomos se desviem ou escapem. Além disso, todos os átomos neutros devem ser mantidos em um ambiente de vácuo controlado para evitar a decoerência devido a colisões com gases de fundo.  

Computadores quânticos de iões aprisionados

Em contraste com os computadores quânticos de átomos neutros, os computadores quânticos de iões aprisionados confinam (por exemplo, imobilizam) partículas atómicas carregadas (íons) no espaço livre usando campos eletromagnéticos. O movimento de cada ião aprisionado é mitigado pelo arrefecimento a laser dos íons até perto do estado fundamental. Tal como os computadores quânticos de átomos neutros, cada átomo num sistema de íons aprisionados funciona como um qubit que codifica a informação quântica nos estados eletrónicos ou hiperfinos de cada ião (por exemplo, utilizando pulsos de laser ou micro-ondas).

As operações multi-qubit são realizadas em computadores quânticos de iões aprisionados, acoplando os estados qubit internos dos iões a modos vibracionais partilhados entre iões próximos. Como os iões estão aprisionados dentro do campo eletromagnético, qualquer movimento vibracional de um ião (por exemplo, induzido por pulsos de laser) faz com que vários iões exibam movimento quantizado através de interações de Coulomb (ou seja, repulsão eletromagnética entre os iões carregados). Com pulsos laser ou eletromagnéticos controlados com precisão, as vibrações induzidas podem fazer com que íons selecionados fiquem entrelaçados, permitindo várias portas multi-qubit e operações quânticas.

Os computadores quânticos de iões aprisionados têm várias vantagens, incluindo baixas taxas de erro com longos tempos de coerência, portas quânticas de alta fidelidade, amplas possibilidades de arranjos de partículas entrelaçadas (ou seja, com cada ião numa armadilha capaz de se entrelaçar com qualquer outro ião na armadilha), juntamente com esquemas de portas bem compreendidos e padronizados que facilitam a implementação direta de algoritmos quânticos. 

No entanto, esses sistemas normalmente envolvem tempos de processamento mais lentos em comparação com sistemas que utilizam qubits de estado sólido (por exemplo, circuitos supercondutores ou qubits à base de silício). Além disso, os sistemas de íons aprisionados normalmente requerem infraestrutura complexa de laser e eletromagnética para alcançar resultados úteis. Assim como os sistemas de átomos neutros, os sistemas de íons aprisionados requerem condições de vácuo controladas para evitar a decoerência devido a colisões com gases de fundo ou outras partículas. 

Computadores quânticos supercondutores

Os computadores quânticos supercondutores aproveitam as propriedades dos materiais supercondutores para criar e controlar qubits. Os materiais supercondutores, ou «supercondutores», são materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência ou perda de energia. Os supercondutores operam a temperaturas extremamente baixas, normalmente a poucos kelvins do zero absoluto (por exemplo, 1 a 20 K ou -272 a -253 °C).  Os computadores quânticos supercondutores utilizam uma estrutura supercondutora chamada «junção Josephson» para implementar qubits supercondutores (por exemplo, circuitos eletrónicos supercondutores).

As junções Josephson são barreiras finas e isolantes posicionadas entre materiais supercondutores, que podem ser usadas para criar uma variedade de qubits diferentes, incluindo qubits transmon e qubits de fluxo. Os qubits transmon são criados conectando uma junção Josephson em paralelo com um condensador relativamente grande. Isso cria um oscilador LC não linear, que permite a criação de níveis de energia discretos para implementar a computação quântica. A informação quântica pode ser codificada nos estados de energia dos qubits transmon usando pulsos de micro-ondas, que induzem transições entre os níveis de energia discretos do qubit. Os qubits transmon podem ser entrelaçados usando acoplamento capacitivo ou acoplamento indutivo de qubits adjacentes, ou através do acoplamento a um ressonador comum, como uma cavidade de micro-ondas ou linha de transmissão.

Por outro lado, os qubits de fluxo são formados usando um «loop supercondutor», ou caminho de corrente, que inclui uma ou mais junções Josephson. Os qubits de fluxo codificam informações quânticas no fluxo magnético de cada qubit, mediado pela direção da corrente através do loop supercondutor. As direções da corrente (por exemplo, no sentido horário ou anti-horário) servem como os estados lógicos |0⟩ e |1⟩ dos qubits. Os qubits de fluxo são controlados usando uma combinação de ajuste de fluxo magnético externo e pulsos eletromagnéticos. Mais especificamente, os pulsos e o fluxo magnético podem ser usados para ajustar externamente o estado do qubit, induzindo transições entre os estados |0⟩ e |1⟩ e implementando portas de qubit único. Portas de múltiplos qubits podem ser alcançadas através do entrelaçamento de qubits de fluxo via acoplamento indutivo de qubits adjacentes, junções Josephson compartilhadas ou acoplamento a ressonadores comuns. 

A implementação de computadores quânticos utilizando supercondutores tem várias vantagens, incluindo operações de porta muito rápidas e a capacidade de fabricar esses sistemas utilizando técnicas litográficas semelhantes às utilizadas para fabricar circuitos semicondutores convencionais. Os computadores quânticos supercondutores também são fáceis de dimensionar devido à sua facilidade de fabrico e beneficiam de uma comunidade de investigação bem estabelecida. No entanto, os supercondutores sofrem de tempos de coerência limitados e só podem operar em temperaturas ultrafrias. Esses sistemas também são suscetíveis a ruídos, particularmente de interferência produzida por pulsos eletromagnéticos usados para controlar qubits individuais.

Computadores quânticos Spin Qubit

Os computadores quânticos de qubits de spin implementam qubits de spin, que codificam informações quânticas dentro do spin de portadores de carga (por exemplo, elétrons) em materiais semicondutores. O spin é uma propriedade quântica de partículas subatómicas que podem estar em uma superposição de cima ou baixo, o que pode representar, respectivamente, os estados lógicos |0⟩ e |1⟩ dos qubits. A informação quântica de cada elétron (por exemplo, estados de spin para cima e para baixo) pode ser controlada girando o spin de um elétron em “pontos quânticos”. Pontos quânticos são regiões dentro do material semicondutor que confinam elétrons em todas as três dimensões espaciais. Em alguns sistemas, átomos doadores implantados em material semicondutor, como átomos de fósforo implantados dentro de um substrato de silício, podem ser usados para isolar o spin dos elétrons.

Os qubits de spin podem ser controlados usando uma variedade de técnicas ópticas, eletromagnéticas ou térmicas. Em alguns sistemas, portas de qubit único podem ser implementadas controlando o estado através da aplicação de um campo magnético oscilante sintonizado com a frequência do qubit alvo. Campos elétricos oscilantes também podem ser usados para fazer a transição do spin de um ou mais qubits para um estado desejado.

Portas multi-qubit podem ser implementadas fornecendo uma barreira de túnel entre dois pontos quânticos ou átomos doadores. A interação entre os spins faz com que os dois elétrons adjacentes fiquem entrelaçados, o que pode ser usado para criar portas. As portas multi-qubit podem ser controladas aplicando uma tensão através da porta, o que afeta a forma como os spins dos elétrons adjacentes interagem. 

Os computadores quânticos com qubits de spin têm várias vantagens, incluindo longos tempos de coerência, tamanho reduzido e compatibilidade com os processos de fabrico de semicondutores existentes. No entanto, essas abordagens ainda requerem temperaturas extremamente baixas para funcionar (por exemplo, próximas do zero absoluto). Além disso, os computadores quânticos com qubits de spin sofrem de baixa escalabilidade devido aos circuitos complexos necessários para encaminhar com precisão sinais de tensão de alta frequência para cada qubit dentro do sistema.

Qubits com nitrogénio vazio

Um novo paradigma promissor na computação quântica aproveita os centros de vacância de nitrogénio (NV) no diamante para criar qubits robustos à temperatura ambiente. Os centros NV são defeitos em escala atómica na estrutura do diamante, consistindo num átomo de nitrogénio adjacente a uma vacância, que exibe fotoluminescência dependente do spin e tempos de coerência de spin excepcionalmente longos. Essas propriedades permitem que os centros NV funcionem como qubits potencialmente altamente estáveis que podem ser inicializados, manipulados e lidos opticamente ou através de campos de micro-ondas. Ao contrário de muitos outros sistemas quânticos que requerem refrigeração extrema, os qubits do centro NV mantêm a coerência quântica mesmo à temperatura ambiente, abrindo as portas para dispositivos quânticos mais práticos e escaláveis. Além disso, a sua sensibilidade a ambientes magnéticos, elétricos e térmicos permite aplicações avançadas de deteção quântica, juntamente com a computação quântica. Esta abordagem baseada em diamante combina biocompatibilidade, durabilidade e potencial de integração com a tecnologia de semicondutores existente, tornando-a uma forte candidata para a próxima geração de tecnologias quânticas.

As implicações

Essas abordagens ou implementações de computação quântica têm diferentes vantagens tecnológicas, prazos para amadurecimento e prontidão comercial, cadeias de abastecimento, potenciais parcerias estratégicas, casos de uso, impactos nos produtos, custos, etc., conforme sugerido. Compreender as várias implicações será importante para avaliar o impacto, estratégico e outros. À medida que a corrida pela supremacia quântica e pela computação quântica de nível consumidor se intensifica, ela moldará investimentos, decisões estratégicas, cronogramas de negócios e análises de risco.  Embora seja muito cedo para determinar quais abordagens podem alcançar o domínio, agora é o momento para estrategistas, analistas e tomadores de decisão se familiarizarem com as candidatas.