Computação quântica em silício

Computação quântica básica feita em silício pela primeira vez

Com informações da New Scientist e UNSW -  out/2015

 

Ilustração artística dos dois transistores de silício funcionando como qubits, baseados em um único elétron em cada transístor. [Imagem: Tony Melov/UNSW]

Qubits de silício

As peças principais para montar um computador quântico super-rápido estão quase prontas para sair da oficina.
Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram que dois transistores de silício que operam como bits quânticos - qubits - podem executar cálculos. Agora é só uma questão de usá-los como os tijolos para construir um computador quântico maior, usando o material que é onipresente na eletrônica convencional.
Cálculos com qubits feitos até agora têm usado supercondutores ultra-frios, que são mais fáceis de juntar para formar uma calculadora básica - mas nunca com o bem conhecido, barato e amigável silício. No silício, os qubits precisam ser isolados para se manterem estáveis, o que é uma barreira para fazer com que dois ou mais deles interajam para realizar os cálculos.
Agora, Menno Veldhorst e seus colegas da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, conseguiram superar essa dificuldade.

Porta lógica quântica

O componente mede o spin de dois elétrons e segue as instruções: se o primeiro estiver girando em uma direção particular, inverta o spin do segundo elétron. Se não, não faça nada.

Microfotografia da porta lógica quântica, com as legendas mostrando seu princípio de funcionamento. [Imagem: Menno Veldhorst et al. - 10.1038/nature15263]

Este é um exemplo de uma porta lógica, uma unidade fundamental em um computador. Repetir essa mesma lógica simples, criando sequências de portas, permite realizar cálculos mais e mais complexos - é assim que todos os processadores eletrônicos funcionam.
"Nós transformamos esses transistores de silício em bits quânticos ao garantir que cada um tem apenas um elétron associado. Em seguida, armazenamos o código binário de 0 ou 1 no spin do elétron, o qual está associado com um pequeno campo magnético do elétron," explicou Veldhorst.

Integração em larga escala

"Este é um avanço seminal no mundo do desenvolvimento dos computadores quânticos - com algumas ressalvas," comentou o professor Thomas Schenckel, do Laboratório Berkeley, nos EUA, que não está envolvido com o trabalho.
A principal ressalva, diz ele, é que, embora seja mais fácil construir versões maiores e mais complexas, "qubits baseados em silício ainda estão atrás dos qubits supercondutores" em termos de eficiência.
Mas isso não diminui o potencial deste avanço. "Nada supera o que podemos fazer em silício em termos de escalonamento econômico e integração em larga escala," reconhece Schenkel.

Bibliografia:

A two-qubit logic gate in silicon
Menno Veldhorst, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, W. Huang, J. P. Dehollain, J. T. Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, A. S. Dzurak
Nature
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nature15263
 

 

Entenda a tecnologia ...

 

Rumo à spintrônica: Qubits no silício a temperatura ambiente

 

A luz polariza o spin dos núcleos de silício dentro do chip, com o aparato todo a temperatura ambiente. [Imagem: Cortesia de Peter Allen]

 

 

Spin nuclear

Pesquisadores da Universidade de Chicago, nos Estados Unidos, colocaram em uma pastilha de silício todo o aparato necessário para viabilizar uma tecnologia considerada "pós-silício", a spintrônica.
Em lugar dos fluxos de elétrons da eletrônica, a spintrônica usa o spin - ou magnetização - dos núcleos de átomos individuais para fazer cálculos e armazenar dados. Além da maior velocidade, há um ganho formidável em termos de consumo de energia.
As técnicas da spintrônica estão também a um passo daquelas utilizadas na computação quântica.
"Nossos resultados podem levar a novas tecnologias, como aparelhos de ressonância magnética ultrassensíveis, giroscópios nucleares e até mesmo computadores que tiram proveito dos efeitos da mecânica quântica," disse o pesquisador Abram Falk.

No silício a temperatura ambiente

O avanço consistiu em colocar em uma pastilha de carbeto de silício (SiC) todo o aparato necessário para alinhar os spins dos átomos de forma consistente e controlável.
O carbeto de silício era considerado uma espécie de primo pobre do silício até que, em 2011, a mesma equipe identificou nele bits quânticos com alto potencial de utilização prática.
Os spins dos núcleos atômicos - cada núcleo funciona como um qubit - normalmente são orientados aleatoriamente, e é difícil manipulá-los porque o momento magnético de um núcleo atômico é cerca de 1.000 vezes menor do que o momento de um elétron.
Usando uma técnica de refrigeração óptica, a equipe conseguiu reduzir a energia de cada átomo de forma a torná-lo praticamente imune às interferências, o que permite, em termos práticos, que a técnica funcione a temperatura ambiente - apenas os centros de cor dos cristais, onde ficam os qubits, são resfriados.

Tecnologias quânticas práticas

"Tecnologias quânticas baseadas nos spins nucleares [...] poderão aparecer muito mais rapidamente do que prevíamos," afirmou o professor David Awschalom, líder da equipe.
Muitos outros físicos parecem concordar com ele e com a importância deste avanço, uma vez que o trabalho mereceu a capa da Physical Review Letters, considerada a principal revista de física do mundo.
 

Bibliografia:

Optical Polarization of Nuclear Spins in Silicon Carbide
Abram L. Falk, Paul V. Klimov, Viktor Ivády, Krisztián Szász, David J. Christle, William F. Koehl, Adam Gali, David D. Awschalom
Physical Review Letters
Vol.: 114, 247603
DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.247603