Informática

Processador quântico modular poderá ter qualquer número de qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2024

Esquema do processador quântico com quatro qubits Qi (vermelho), conectados a um roteador R (área sombreada em azul), consistindo de um capacitor central ligando quatro chaves.
[Imagem: Xuntao Wu et al. - 10.1103/PhysRevX.14.041030]

Processador quântico modular

Pesquisadores idealizaram uma nova arquitetura para um processador quântico supercondutor - o tipo mais comum hoje - que permitirá sua fabricação em grande escala, sem que o aumento de qubits seja acompanhado do aumento do número de erros.

"Um computador quântico não competirá necessariamente com um computador clássico em coisas como tamanho de memória ou tamanho de CPU," ilustrou o professor Andrew Cleland, da Universidade de Chicago, nos EUA. "Em vez disso, eles tiram vantagem de uma escala fundamentalmente diferente: Duplicar o poder computacional de um computador clássico requer uma CPU duas vezes maior ou o dobro da velocidade de clock. Duplicar um computador quântico requer apenas um qubit adicional."

Buscando inspiração justamente nos computadores clássicos, o novo projeto agrupa os qubits em torno de um roteador central, semelhante ao modo como os PCs se comunicam entre si por meio de equipamentos de hardware de rede (roteadores, switchs ou hubs). Os roteadores quânticos podem conectar e desconectar qualquer qubit em poucos nanossegundos, permitindo construir portas quânticas de alta-fidelidade e, mais importante, a geração do entrelaçamento quântico, o fenômeno fundamental para a computação e a comunicação quânticas.

"Em princípio, não há limite para o número de qubits que podem ser conectados através dos roteadores," disse o pesquisador Xuntao Wu. "Você pode conectar mais qubits se quiser mais poder de processamento, desde que eles caibam em um determinado espaço. Imagine que você tem um computador clássico que possui uma placa-mãe integrando muitos componentes diferentes, como CPU ou GPU, memória e outros elementos. Parte do nosso objetivo é transferir este conceito para o reino quântico."

Foto retroiluminada do protótipo montado, com duas placas filhas colocadas em cima da placa-mãe - uma das placas-filha está contornada em vermelho tracejado.
[Imagem: Xuntao Wu et al. - 10.1103/PhysRevX.14.041030]

Interconexão de qubits

Um processador quântico típico é um quadrado não muito diferente dos chips eletrônicos, um sistema de estado sólido em uma estrutura planar, com os qubits formando uma matriz.

Mas colocar qubits em uma grade significa que cada qubit só pode interagir com, no máximo, quatro outros qubits - seus vizinhos imediatos ao norte, sul, leste e oeste. Um processador mais poderoso vai exigir maior conectividade entre os qubits, muito além do limite dos quatro vizinhos

Além disso, as conexões do vizinho mais próximo limitam as classes de dinâmica quântica que podem ser implementadas, bem como a extensão do paralelismo que o processador é capaz de executar.

Em lugar de uma grade 2-D de qubits construídos sobre um substrato, o novo projeto cria um processador quântico modular, incluindo um circuito reconfigurável que funciona como roteador central. Isso permite que quaisquer dois qubits se conectem por meio do entrelaçamento quântico via roteador, o que significa que cada qubit pode se comunicar com qualquer outro qubit, mesmo os que estão fisicamente distantes dele.

Processador quântico modular

Outra vantagem em relação à arquitetura atual é que fabricar todos os qubits no mesmo substrato planar representa um desafio significativo para o rendimento da fabricação, já que mesmo um pequeno número de componentes com falha significa que o processador inteiro não funcionará. "Para realizar a computação quântica prática, precisamos de milhões ou mesmo bilhões de qubits e precisamos fazer tudo perfeitamente," disse Haoxiong Yan, membro da equipe.

Para resolver todos esses desafios, a equipe está propondo um processador quântico modular, de modo que diferentes componentes possam ser pré-selecionados antes de serem montados na placa-mãe do processador.

Eles também estão trabalhando para ampliar a distância na qual conseguem entrelaçar diferentes qubits. "No momento, o alcance do acoplamento é médio, da ordem de milímetros," disse Wu. "Portanto, se estamos tentando pensar em maneiras de conectar qubits remotos, devemos explorar novas maneiras de integrar outros tipos de tecnologias à nossa configuração atual."