Computação Quântica Eletrônica vs. Fotônica: Novos Chips Mudarão o Equilíbrio

Como você gostaria de acessar recursos de computação quântica programáveis em Python e escaláveis através da nuvem? A startup canadense Xanadu anunciou recentemente um chip que possibilita esse tipo de acessibilidade em computação quântica. O que é mais interessante é como esse tipo de chip se encaixará no ecossistema de computação quântica e como ele aproveita a fotônica para manipular qubits em um computador quântico.

Embora 2021 esteja se preparando para ser o ano da IA, os avanços quânticos ainda estão fazendo manchetes, assim como fizeram em 2020. Em 8 de março de 2021, Phys.org relatou que a startup canadense Xanadu e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) anunciaram um novo chip programável para executar múltiplos algoritmos quânticos. O relatório segue uma publicação inovadora na Nature, onde os autores relatam que seu chip pode operar em temperatura ambiente. Esse chip é único em relação aos avanços anteriores em computação quântica que relatamos neste blog, onde sinais de RF ou lasers são usados para manipular qubits em um sistema grande e resfriado criogenicamente.

O chip da Xanadu é único porque opera com fótons, ou luz, em comprimentos de onda ópticos. Em computação quântica, qubits supercondutores e qubits de íons aprisionados têm sido os mais destacados, e essas arquiteturas de computação são usadas nos grandes computadores quânticos típicos. Este novo avanço da Xanadu marca uma nova vitória no portfólio de fotônica, e ainda resta ver se isso se tornará o novo padrão para o hardware de computação quântica.

Fotônica Exibe Vantagem Quântica

Este novo chip é único em termos de seu tamanho físico, como funciona e como pode ser integrado em um IC quântico maior ou processador. Estamos começando a ver ICs quânticos seguindo a mesma progressão de escalonamento e integração que os ICs eletrônicos experimentaram nos últimos 50 anos. Um esquemático mostrando a arquitetura do processador da Xanadu é mostrado abaixo. Este chip é totalmente fotônico; luz de bombeamento (dados de entrada) é fornecida ao circuito usando fibra através de um acoplador de E/S. A saída do chip pode então ser lida de um acoplador de saída e enviada para um detector super-resfriado.

A arquitetura mostrada acima utiliza cavidades de ressonador em anel na entrada para capturar fótons em estados quânticos altamente coerentes, conhecidos como estados "comprimidos", que são armazenados à temperatura ambiente. No meio do caminho entre as entradas e saídas, divisores de feixe e deslocadores de fase são conectados com guias de onda para criar interferômetros quânticos programáveis. Isso é o que permite a mistura programável de estados à medida que os fótons de entrada propagam para a saída. Finalmente, um módulo de controle eletrônico clássico é usado para receber a entrada do usuário e configurar cada divisor de feixe e deslocador de fase na matriz.

Vantagens

Esta arquitetura é muito poderosa e oferece várias vantagens sobre qubits de íons aprisionados e qubits supercondutores:

• Operação com muitos fótons: A encarnação atual recebe dados de fibra, mas a largura do barramento poderia ser estendida para fornecer um ou mais fluxos de dados paralelos.
• Perda baixa: A estrutura do ressonador em anel e a estrutura do guia de onda confinam naturalmente a luz graças à reflexão interna total. Isso é uma grande vantagem sobre outros computadores quânticos competitivos, que são muito perdulários.
• Temperatura ambiente: Computadores quânticos que funcionam com qubits supercondutores e qubits aprisionados por íons precisam operar em temperaturas criogênicas. Isso é parcialmente para prevenir a decoerência (perda do estado quântico de um qubit) e parcialmente para garantir que os interconectores e os qubits permaneçam supercondutores/aprisionados. Ser capaz de operar em temperatura ambiente elimina a necessidade de sistemas de resfriamento complexos ou configurações precisas de resfriamento a laser para garantir que os estados dos qubits não sejam perdidos.
• Programável: O dispositivo possui uma arquitetura simples que pode ser configurada com uma biblioteca Python. Isso é uma grande vantagem para escalabilidade e integração; discutirei mais sobre isso abaixo.
• Altamente escalável: Um dos principais fatores limitantes em computadores quânticos padrão, como aqueles baseados em cavidades de ressonador de micro-ondas com íons aprisionados, é a sua escalabilidade. Construir tudo em um chip plano torna esses dispositivos muito mais escaláveis e possivelmente permite que sejam integrados em arquiteturas de CI padrão (2D, 2.5D ou 3D).
• Plataforma de silício: Usar silício como uma plataforma fotônica ajuda na escalabilidade, pois esses chips poderiam ser implementados em um processo CMOS. A integração de fontes de luz e detectores no próprio chip permanece desafiadora, e a integração em uma placa pode exigir estilos únicos de interconexão para fornecer e coletar luz.

Observe que apenas o chip opera à temperatura ambiente; o detector e o lado de leitura do sistema ainda funcionam em temperatura super-resfriada, mas o sistema é um passo na direção certa. O aspecto mais importante desse sistema é que sua escalabilidade pode, em teoria, possibilitar a vantagem quântica.

Vantagem Quântica

O termo "vantagem quântica" simplesmente significa que um determinado computador quântico é capaz de realizar cálculos que são intratáveis com um computador clássico. A capacidade de realizar computações com múltiplas entradas e saídas em paralelo não apenas torna o sistema escalável, mas também possibilita a vantagem quântica. À medida que o número de portas de entrada aumenta, também aumenta o número de estados possíveis, o que aumentaria o tempo que um computador clássico levaria para simular todos os valores possíveis nas portas de saída.

“Olá, Mundo!” na Nuvem Quântica

Este novo processador quântico agora está disponível para acesso público na plataforma de nuvem da Xanadu, e os desenvolvedores podem implantar seus próprios algoritmos quânticos usando PennyLane, a biblioteca Python da empresa para desenvolvimento de computação quântica. Este é mais um passo na direção certa para a computação quântica escalável e de propósito geral: desenvolvimento de uma pilha de software para construir aplicações quânticas em linguagens de programação populares.

Se você deseja implantar seu próprio programa na nuvem da Xanadu, terá que solicitar acesso. Assumindo que você tenha acesso, você pode usar a biblioteca deles com o seguinte bloco de código para executar seu primeiro algoritmo quântico:

O que isso significa para os projetistas de PCBs? Se queremos construir sistemas pequenos e leves com processadores quânticos, não podemos ter grandes fontes de luz e detectores na placa apenas para interagir com um chip quântico. Reduzir o tamanho do sistema, até o ponto em que um processador quântico possa ser colocado em um PCB, requer a integração de fontes de luz e detectores para esses sistemas até o nível do die.

Agora, com essas capacidades sendo acessíveis na nuvem, imagine poder ter um dispositivo embutido que envia dados para um computador quântico conectado à nuvem como parte de uma aplicação maior. As possibilidades são impressionantes, e só podemos esperar que a arquitetura da Xanadu chegue ao nível do dispositivo.

À medida que novas tecnologias se tornam proeminentes e amplamente disponíveis para a comunidade eletrônica, a Altium estará aqui para ajudar engenheiros inovadores a construir eletrônicos que ultrapassem os limites da tecnologia. À medida que a indústria eletrônica começa a ver soluções de computação quântica comercializadas, você poderá projetar em torno delas com Altium Designer® e a plataforma Altium 365™. Continue acompanhando o blog para mais atualizações sobre engenharia e tecnologia.