Cientistas fazem átomos se comunicarem dentro de circuitos de silício

A pesquisa foi publicada em 18 de setembro na revista Science, e é um passo importante em direção à construção de computadores quânticos em grande escala – um dos desafios científicos e tecnológicos mais empolgantes do século 21.

A autora principal, Dra. Holly Stemp, diz que a conquista desbloqueia o potencial para construir os futuros microchips necessários para a computação quântica utilizando tecnologias e processos de fabricação existentes.

“Conseguimos fazer os objetos quânticos mais limpos e isolados se comunicarem entre si, na escala em que os dispositivos eletrônicos de silício padrão são atualmente fabricados,” diz ela.

O desafio enfrentado pelos engenheiros de computadores quânticos tem sido equilibrar duas necessidades opostas: proteger os elementos de computação de interferências externas e ruídos, enquanto ainda permite que interajam para realizar cálculos significativos. Essa é a razão pela qual existem tantos tipos diferentes de hardware ainda na corrida para ser o primeiro computador quântico operacional: alguns são muito bons para realizar operações rápidas, mas sofrem com ruído; outros estão bem protegidos contra o ruído, mas são difíceis de operar e escalar.

A equipe da UNSW investiu em uma plataforma que – até hoje – poderia ser colocada no segundo grupo. Eles usaram o spin de átomos de fósforo, implantados em um chip de silício, para codificar informação quântica.

“O spin de um núcleo atômico é o objeto quântico mais limpo e isolado que se pode encontrar no estado sólido,” diz o Professor Scientia Andrea Morello, da Escola de Engenharia Elétrica & Telecomunicações da UNSW.

“Nos últimos 15 anos, nosso grupo tem sido pioneiro em todas as inovações que tornaram essa tecnologia uma verdadeira concorrente na corrida da computação quântica. Já demonstramos que podemos manter informações quânticas por mais de 30 segundos – uma eternidade no mundo quântico – e realizar operações lógicas quânticas com menos de 1% de erros.

“Fomos os primeiros do mundo a atingir isso em um dispositivo de silício, mas tudo isso teve um preço: a mesma isolamento que torna os núcleos atômicos tão limpos, torna difícil conectá-los em um processador quântico em grande escala.”

Até agora, a única maneira de operar múltiplos núcleos atômicos era colocá-los muito próximos uns dos outros dentro de um sólido, e cercá-los com um único e mesmo elétron.

“A maioria das pessoas pensa em um elétron como a menor partícula subatômica, mas a física quântica nos diz que ele tem a capacidade de ‘se espalhar’ no espaço, de modo que pode interagir com vários núcleos atômicos,” diz Dra. Holly Stemp, que conduziu esta pesquisa na UNSW e agora é pesquisadora pós-doutoral no MIT em Boston.

“Mesmo assim, a distância sobre a qual o elétron pode se espalhar é bastante limitada. Além disso, adicionar mais núcleos ao mesmo elétron torna muito desafiador controlar cada núcleo individualmente.”

Fazendo núcleos atômicos se comunicarem através de ‘telefones’ eletrônicos

“Por uma metáfora, poderia-se dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas colocadas em uma sala à prova de som,” diz Dra. Stemp.

“Eles podem conversar entre si, desde que estejam todos na mesma sala, e as conversas são realmente claras. Mas eles não conseguem ouvir nada do exterior, e há apenas um número limitado de pessoas que podem caber na sala. Esse modo de conversação não ‘escalona’.

“Com esse avanço, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para se comunicarem de outros ambientes. Todas as salas ainda são agradáveis e silenciosas por dentro, mas agora podemos ter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam longe.”

Os ‘telefones’ são, na verdade, elétrons. Mark van Blankenstein, outro autor do artigo, explica o que realmente está acontecendo no nível subatômico.

“Devido à sua capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem ‘tocar’ um ao outro a uma certa distância. E se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atômico, os núcleos podem se comunicar através disso.”

Então, quão distantes estavam os núcleos envolvidos nos experimentos?

“A distância entre nossos núcleos era de cerca de 20 nanômetros – um milésimo da largura de um fio de cabelo humano,” diz Dra. Stemp.

“Isso não parece muito, mas considere isto: se escalássemos cada núcleo para o tamanho de uma pessoa, a distância entre os núcleos seria mais ou menos a mesma que entre Sydney e Boston!”

Ela acrescenta que 20 nanômetros é a escala em que os chips de computador modernos de silício são rotineiramente fabricados para funcionar em computadores pessoais e telefones celulares.

“Você tem bilhões de transistores de silício no seu bolso ou na sua bolsa agora, cada um com cerca de 20 nanômetros de tamanho. Esse é o nosso verdadeiro avanço tecnológico: fazer com que nossos objetos quânticos mais limpos e isolados se comuniquem entre si na mesma escala dos dispositivos eletrônicos existentes. Isso significa que podemos adaptar os processos de fabricação desenvolvidos pela indústria de semicondutores de trilhões de dólares, para a construção de computadores quânticos baseados nos spins de núcleos atômicos.”

Um caminho escalável à frente

Apesar da natureza exótica dos experimentos, os pesquisadores afirmam que esses dispositivos permanecem fundamentalmente compatíveis com a forma como todos os chips de computador atuais são construídos. Os átomos de fósforo foram introduzidos no chip pela equipe do Professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, usando uma lâmina de silício ultra-pura fornecida pelo Professor Kohei Itoh, da Universidade Keio no Japão.

Ao eliminar a necessidade de que os núcleos atômicos estivessem ligados ao mesmo elétron, a equipe da UNSW superou o maior obstáculo para a escalabilidade dos computadores quânticos de silício baseados em núcleos atômicos.

“Nosso método é notavelmente robusto e escalável. Aqui usamos apenas dois elétrons, mas no futuro poderemos até adicionar mais elétrons e forçá-los em uma forma alongada, para espalhar os núcleos ainda mais,” diz o Prof. Morello.

“Os elétrons são fáceis de mover e de ‘moldar’, o que significa que as interações podem ser ligadas e desligadas de maneira rápida e precisa. Isso é exatamente o que precisamos para um computador quântico escalável.”