O primeiro circuito quântico: WebCuriosos
Cientistas australianos criaram o primeiro circuito de computador quântico do mundo – um circuito que contém todos os componentes essenciais encontrados em um chip de computador clássico, mas em escala quântica.
A descoberta marcante, publicada em Natureza hoje, levou nove anos para ser feito.
“Esta é a descoberta mais emocionante da minha carreira”, disse à WebCuriosos a autora sênior e física quântica Michelle Simmons, fundadora da Silicon Quantum Computing e diretora do Centro de Excelência para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da UNSW.
Simmons e sua equipe não apenas criaram o que é essencialmente um processador quântico funcional, mas também o testaram com sucesso modelando uma pequena molécula na qual cada átomo tem vários estados quânticos – algo que um computador tradicional teria dificuldade em alcançar.
Isto sugere que estamos agora um passo mais perto de finalmente usar o poder de processamento quântico para compreender mais sobre o mundo que nos rodeia, mesmo na escala mais ínfima.
“Na década de 1950, Richard Feynman disse que nunca entenderemos como o mundo funciona – como a natureza funciona – a menos que possamos realmente começar a fazê-lo na mesma escala”, disse Simmons ao WebCuriosos.
“Se conseguirmos começar a compreender os materiais a esse nível, poderemos conceber coisas que nunca foram feitas antes.
“A questão é: como você realmente controla a natureza nesse nível?”
A última invenção segue a criação do primeiro transistor quântico pela equipe em 2012.
(UM transistor é um pequeno dispositivo que controla sinais eletrônicos e constitui apenas uma parte de um circuito de computador. Um circuito integrado é mais complexo porque reúne muitos transistores.)
Para dar esse salto na computação quântica, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura em vácuo ultra-alto para colocar pontos quânticos com precisão subnanométrica.
A colocação de cada ponto quântico precisava ser correta para que o circuito pudesse imitar como os elétrons saltam ao longo de uma cadeia de carbonos com ligações simples e duplas em uma molécula de poliacetileno.
A parte mais complicada foi descobrir: exatamente quantos átomos de fósforo deveriam existir em cada ponto quântico; exatamente a que distância cada ponto deve estar; e então projetar uma máquina que pudesse colocar os pequenos pontos exatamente no arranjo correto dentro do chip de silício.
Se os pontos quânticos forem muito grandes, a interação entre dois pontos torna-se “muito grande para controlá-los de forma independente”, dizem os pesquisadores.
Se os pontos forem muito pequenos, isso introduz aleatoriedade porque cada átomo de fósforo extra pode alterar substancialmente a quantidade de energia necessária para adicionar outro elétron ao ponto.
O chip quântico final continha 10 pontos quânticos, cada um composto por um pequeno número de átomos de fósforo.
As ligações duplas de carbono foram simuladas colocando menos distância entre os pontos quânticos do que as ligações simples de carbono.
O poliacetileno foi escolhido porque é um modelo bem conhecido e poderia, portanto, ser usado para provar que o computador estava simulando corretamente o movimento dos elétrons através da molécula.
Os computadores quânticos são necessários porque os computadores clássicos não conseguem modelar moléculas grandes; eles são muito complexos.
Por exemplo, para criar uma simulação da molécula de penicilina com 41 átomos, um computador clássico precisaria de 1086 transistores, que é “mais transistores do que átomos no universo observável“.
Para um computador quântico, seria necessário apenas um processador com 286 qubits (bits quânticos).
Como os cientistas atualmente têm visibilidade limitada sobre como as moléculas funcionam em escala atômica, há muitas suposições na criação de novos materiais.
“Um dos objetivos primordiais sempre foi fabricar um supercondutor de alta temperatura”, diz Simmons. “As pessoas simplesmente não conhecem o mecanismo de funcionamento.”
Outra aplicação potencial da computação quântica é o estudo da fotossíntese artificial e como a luz é convertida em energia química por meio de uma cadeia orgânica de reações.
Outro grande problema que os computadores quânticos poderiam ajudar a resolver é a criação de fertilizantes. As ligações triplas de nitrogênio são atualmente quebradas sob condições de alta temperatura e pressão na presença de um catalisador de ferro para criar nitrogênio fixo para fertilizante.
Encontrar um catalisador diferente que possa produzir fertilizantes de forma mais eficaz poderia economizar muito dinheiro e energia.
Simmons diz que a conquista de passar do transistor quântico para o circuito em apenas nove anos está imitando o roteiro estabelecido pelos inventores dos computadores clássicos.
O primeiro transistor clássico de computador foi criado em 1947. O primeiro circuito integrado foi construído em 1958. Essas duas invenções tiveram uma diferença de 11 anos; A equipe de Simmons deu esse salto dois anos antes do previsto.
Este artigo foi publicado em Natureza.