Os cientistas criaram uma forma aprimorada e ultrapura de silício que poderá um dia ser a base para “qubits de spin de silício” altamente confiáveis em poderosos computadores quânticos.
Enquanto os bits nos computadores clássicos codificam os dados como 1 ou 0, os qubits nos computadores quânticos pode ser uma superposição desses dois estados – o que significa que eles podem atingir um estado quântico conhecido como “coerência” e ocupar 1 e 0 em paralelo durante o processamento de cálculos.
Estas máquinas poderiam ser potencialmente mais poderosas do que as os supercomputadores mais rápidos do mundo mas seriam necessários cerca de um milhão de qubits para conseguir isso, disseram os cientistas. O maior computador quântico da atualidade tem cerca de 1.000 qubits.
Mas um desafio importante da computação quântica é que os qubits são “ruidosos”, o que significa que são altamente propensos a interferências, como mudanças de temperatura, e precisam ser resfriados até quase zero absoluto. Caso contrário, eles facilmente perdem informações e falham no meio das operações.
Isto significa que mesmo se tivéssemos um computador quântico com milhões de qubits, muitos deles seriam redundantes mesmo com tecnologias de correção de errostornando a máquina extremamente ineficiente.
Aproveitando a computação quântica de silício
Qubits são normalmente feitos de metais supercondutores como tântalo e nióbio porque possuem condutividade quase infinita e resistência quase infinita.
Mas em um novo estudo, publicado em 7 de maio na revista Materiais de comunicação da naturezaos pesquisadores propuseram o uso de uma forma nova e pura de silício – o material semicondutor usado em computadores convencionais – como base para um qubit que é muito mais escalável do que as tecnologias existentes.
Construir qubits a partir de materiais semicondutores como silício, gálio ou germânio tem vantagens sobre qubits metálicos supercondutores, de acordo com o empresa de computação quântica QuEra. Os tempos de coerência são relativamente longos, são baratos de fabricar, operam em temperaturas mais altas e são extremamente pequenos – o que significa que um único chip pode conter um grande número de qubits. Mas as impurezas nos materiais semicondutores causam decoerência durante os cálculos, o que os torna não confiáveis.
No novo estudo, os cientistas propuseram fazer um qubit de silício-28 (Si-28), que descreveram como o “silício mais puro do mundo”, depois de remover as impurezas encontradas no silício natural. Esses qubits baseados em silício seriam menos propensos a falhas, disseram eles, e poderiam ser fabricados no tamanho de uma cabeça de alfinete.
O silício natural é normalmente composto de três isótopos, ou átomos de massas diferentes – Si-28, Si-29 e Si-30. O silício natural funciona bem na computação convencional devido às suas propriedades metalóides, mas surgem problemas ao usá-lo na computação quântica.
O Si-29 em particular, que representa 5% do silício natural, causa um “efeito de inversão nuclear” que leva à decoerência e à perda de informação. No estudo, os cientistas contornaram isso desenvolvendo um novo método para projetar silício sem átomos de Si-29 e Si-30.
Computação quântica mais barata e escalável
“O que conseguimos fazer foi criar efetivamente um ‘tijolo’ crítico necessário para construir um computador quântico baseado em silício”, disse o principal autor do estudo. Ricardo Curry, professor de materiais eletrônicos avançados da Universidade de Manchester, em comunicado. “É um passo crucial para tornar viável uma tecnologia que tem o potencial de ser transformadora para a humanidade.”
Os componentes para computadores quânticos baseados em silício poderiam, em teoria, ser construídos usando os mesmos métodos usados para fabricar chips eletrônicos clássicos, que podem acomodar bilhões de transistores em uma pequena placa de circuito, disseram os cientistas. Qubits de silício, ou qubits de spin de silício, não são novidade, mas a qualidade do silício nunca foi tão pura, acrescentaram, o que é determinado com base em testes de microscopia.
Os qubits baseados em silício também poderiam ser fabricados com muito mais facilidade do que outros tipos de qubit devido aos métodos existentes de fabricação de chips. E, portanto, os computadores quânticos que os utilizam podem ser escalados para a região de um milhão de qubits muito mais rapidamente do que os métodos concorrentes, disseram os pesquisadores.
“Agora que podemos produzir silício-28 extremamente puro, nosso próximo passo será demonstrar que podemos sustentar a coerência quântica para muitos qubits simultaneamente”, disse o co-supervisor do projeto. David Jamieson, professor de física da Universidade de Melbourne, disse no comunicado. “Um computador quântico confiável com apenas 30 qubits excederia o poder dos supercomputadores atuais para algumas aplicações.”