Cientistas dão grande passo na computação quântica em descoberta histórica

Cientistas australianos criaram o primeiro circuito de computador quântico do mundo – um que contém todos os componentes essenciais encontrados em um chip de computador clássico, mas na escala quântica. 

A descoberta histórica, publicada na Nature hoje, levou nove anos para ser feita. 

“Esta é a descoberta mais emocionante da minha carreira”, disse 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.

Não apenas Simmons e sua equipe criaram o que é essencialmente um processador quântico funcional, mas também o testaram com sucesso ao modelar uma pequena molécula na qual cada átomo tem vários estados quânticos – algo que um computador tradicional lutaria para alcançar. 

Isso sugere que agora estamos um passo mais perto de finalmente usar o poder de processamento quântico para entender mais sobre o mundo ao nosso redor, mesmo na menor escala.

“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 ScienceAlert. 

“Se pudermos começar a entender os materiais nesse nível, podemos projetar coisas que nunca foram feitas antes.

“A questão é: como você realmente controla a natureza nesse nível?”

A mais recente invenção segue a criação da equipe do primeiro transistor quântico em 2012. 

(Um  transistor  é um pequeno dispositivo que controla sinais eletrônicos e forma apenas uma parte de um circuito de computador. Um circuito integrado é mais complexo, pois reúne muitos transistores.)

Para dar esse salto na computação quântica, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento em um vácuo ultra-alto para colocar pontos quânticos com precisão subnanométrica.

A colocação de cada ponto quântico precisava estar correta para que o circuito pudesse imitar como os elétrons saltam ao longo de uma cadeia de carbonos de ligação simples e dupla em uma molécula de poliacetileno. 

As partes mais complicadas foram descobrir: exatamente quantos átomos de fósforo deveriam estar em cada ponto quântico; exatamente a que distância cada ponto deve estar; e, em seguida, projetar uma máquina que pudesse colocar os minúsculos pontos exatamente no arranjo correto dentro do chip de silício.

Se os pontos quânticos forem muito grandes, a interação entre dois pontos se tornará “grande demais para controlá-los independentemente”, 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 por ser um modelo bem conhecido e, portanto, poderia 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 podem modelar moléculas grandes; eles são muito complexos. 

Por exemplo, para criar uma simulação da molécula da penicilina com 41 átomos, um computador clássico precisaria de 10 ⁸⁶ transistores, o 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 de como as moléculas funcionam em escala atômica, há muito trabalho de adivinhação na criação de novos materiais. 

“Um dos santos graals sempre foi fazer um supercondutor de alta temperatura “, diz Simmons. “As pessoas simplesmente não conhecem o mecanismo de como funciona.” 

Outra aplicação potencial para a computação quântica é o estudo da fotossíntese artificial e como a luz é convertida em energia química através de uma cadeia orgânica de reações. 

Outro grande problema que os computadores quânticos podem 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 pode 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 de computador clássico 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.