Qubit com controle elétrico, idealizado por brasileiro, vira realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/02/2023

O novo qubit é chaveado eletricamente, como os bits eletrônicos atuais.
[Imagem: Tony Melov/UNSW]

Qubit flip-flop

Um novo design radical para os qubits dos computadores quânticos, idealizado em 2017 pelo brasileiro Guilherme Tosi e colegas da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, acaba de virar realidade.

O novo qubit permite a fabricação de processadores quânticos em larga escala, integrados na forma de chips, de forma muito mais barata e mais fácil do que se pensava ser possível - e tudo usando uma plataforma à base de silício.

Em termos gerais, estes novos qubits podem ser colocados a centenas de nanômetros de distância uns dos outros e, ainda assim, permanecerem acoplados uns aos outros pelo fenômeno quântico do entrelaçamento.

Isso não apenas é mais fácil em termos de engenharia de produção, como também deixa o espaço necessário para a colocação dos eletrodos e dos demais componentes sem interferir com o frágil estado dos qubits, que os faz perder os dados com muita facilidade.

O spin nuclear ("n", em laranja) e o spin do elétron ("e", em azul) invertem-se um em relação ao outro, sempre apontando em direções opostas.
[Imagem: UNSW]

Qubit flip-flop

Um dos circuitos lógicos mais simples, e fundamental para toda a eletrônica, é conhecido como circuito flip-flop: O nome é uma onomatopeia do som que sai em um alto-falante conectado à saída desse tipo de circuito.

Fundamentalmente, no campo da eletrônica e dos circuitos digitais, um flip-flop - seu nome técnico é multivibrador biestável - é um circuito digital que funciona como uma memória de um bit. Para isso, ele tipicamente inclui um valor zero, um ou dois sinais de entrada, um sinal de relógio e um sinal de saída. Em termos simples, ele permite chavear entre um "0" e um "1" do bit com muita facilidade e velocidade.

Agora, os físicos australianos conseguiram construir na prática o "flip-flop quântico" idealizado teoricamente por Tosi. É um circuito que permite que o valor do qubit seja alternado rapidamente por uma corrente elétrica, exatamente como o flip-flop eletrônico.

Na verdade, pode-se dizer que se trata de um novo tipo de bit quântico, um "qubit flip-flop", que combina as propriedades quânticas dos átomos individuais com a facilidade do controle por sinais elétricos, exatamente como aqueles usados nos chips de computador comuns.

Tanto elétrons quanto átomos aprisionados funcionam como qubits, mas controlá-los exige campos magnéticos oscilantes que são complicados de construir e operar. Fazer isso com uma corrente elétrica é muito mais fácil, simples e rápido, além de ser fácil de escalonar, ou seja, colocar mais qubits no mesmo chip.

"Este novo qubit é chamado de 'flip-flop' porque é feito de dois spins pertencentes ao mesmo átomo - o elétron e o spin nuclear - com a condição de que sempre apontem em direções opostas," explicou o pesquisador Rostyslav Savytskyy. "Por exemplo, se o estado '0' for 'elétron para baixo/núcleo para cima' e o estado '1' for 'elétron para cima/núcleo para baixo', mudar de '0' para '1' significa que o elétron 'vira' para cima e o núcleo 'cai' para baixo. Daí o nome."

Os dados mostram claramente a dinâmica do flip-flop, onde os dois spins trocam de orientação várias vezes à medida que o sinal de acionamento elétrico é aplicado progressivamente.
[Imagem: UNSW]

Qubit com controle elétrico

Os primeiros testes confirmaram que o deslocamento do elétron em relação ao núcleo permite programar estados quânticos arbitrários no qubit flip-flop.

"Mais importante ainda, esse deslocamento dos elétrons é obtido simplesmente pela aplicação de uma voltagem a um pequeno eletrodo metálico, em vez de irradiar o chip com um campo magnético oscilante. É um método que se assemelha muito mais ao tipo de sinal elétrico normalmente roteado dentro dos chips de silício dos computadores convencionais, como os que usamos todos os dias em nossos computadores e smartphones," disse Tim Botzem, que construiu o qubit flip-flop.

E o controle elétrico do qubit flip-flop vem acompanhado por um efeito colateral muito importante: Quando uma carga negativa (o elétron) é deslocada de uma carga positiva (o núcleo), forma-se um dipolo elétrico. Colocar dois (ou mais) dipolos elétricos próximos uns dos outros dá origem a um forte acoplamento elétrico entre eles, o que pode mediar operações lógicas quânticas multi-qubit, do tipo necessário para realizar cálculos quânticos úteis.

"A maneira padrão de acoplar qubits de spin em silício é colocando os elétrons tão próximos uns dos outros que eles efetivamente 'se tocam'. Isso requer que os qubits sejam colocados em uma grade de algumas dezenas de nanômetros. Os desafios de engenharia para fazer isso são bastante severos," disse o Prof. Andrea Morello. "Em contraste, os dipolos elétricos não precisam 'se tocar', eles se influenciam mutuamente à distância. Nossa teoria indica que 200 nanômetros é a distância ideal para operações quânticas rápidas e de alta fidelidade."

E 200 nanômetros é longe o suficiente para permitir a inserção dos diversos componentes de controle e de leitura dos qubits, tornando mais fácil construir o processador quântico.

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