Como Serão os Componentes de um Computador Quântico?

Lembro-me de estar na faculdade há mais de uma década e ouvir sobre computadores quânticos nas minhas aulas avançadas de física. Na época, já era difícil o suficiente para mim entender os conceitos básicos e para o professor explicá-los. Avançando para hoje, os computadores quânticos finalmente se tornaram uma realidade, e a missão se tornou uma de escalar a tecnologia. Se você é um desenvolvedor de algoritmos quânticos, pode até alugar tempo em um computador quântico via nuvem e executar suas próprias aplicações quânticas.

Poucas pessoas viram o interior de um computador quântico até provavelmente os últimos dois anos, quando muitos gigantes da tecnologia começaram a publicar alguns detalhes de seus sistemas. Agora que tivemos o privilégio de ver alguns dos detalhes mais finos que entram na construção de sistemas quânticos, fica mais fácil ver como são alguns dos principais componentes de um computador quântico, bem como quais funções eles desempenham. Além das estruturas usadas nos processadores de qubit, os componentes do computador quântico têm muita semelhança com seus equivalentes clássicos.

No momento, a parte mais importante de um computador quântico (o processador de qubit) é totalmente personalizada, mas há uma série de outros subsistemas que fazem um computador quântico operar. Os designers de PCB podem desempenhar um papel maior do que pensam em ajudar a comercializar esses sistemas. Sem entrar muito no que é um computador quântico, farei o meu melhor para explicar os papéis desempenhados por diferentes componentes do computador quântico.

O que Torna um Computador “Quântico”?

Todos os computadores quânticos usam bits quânticos, ou qubits, para processar informações. A explicação popular para um computador quântico é que ele aproveita o fato de um qubit poder existir como uma superposição (ou combinação) de estados de informação, o que é interpretado como os qubits no processador de um computador quântico estando em alguma mistura de estados 0 e 1 simultaneamente. A visão filosófica alternativa da mecânica quântica (ou a interpretação de “Muitos Mundos”) sustenta que os computadores quânticos são máquinas inerentemente paralelizadas, com cópias de um computador quântico executando múltiplos cálculos em universos paralelos!

Qualquer imagem física que ajude você a entender melhor o comportamento dos qubits, os próprios qubits são apenas metade da história. A outra metade depende do uso do emaranhamento, um fenômeno que ainda confunde os físicos. Einstein descreveu como “ação fantasmagórica à distância”, pois permite que qubits sejam escritos no mesmo estado quântico, mesmo quando separados por distâncias extremamente longas. Isso traz coisas como comunicação mais rápida que a luz e até gerou aplicações como o radar quântico.

O que um Computador Quântico Faz

Um computador quântico é projetado para manipular e ler qubits, que podem estar emaranhados com outros qubits, ou que podem estar em alguma superposição de 0’s e 1’s. Isso depende de uma série de componentes e subsistemas importantes. Embora um computador quântico use qubits, os subsistemas de suporte que o fazem funcionar conforme projetado são todos componentes clássicos, até mesmo os passivos usados em placas de circuito.

Aqui está o que é necessário para garantir que um computador quântico opere conforme projetado:

Isolamento do Ambiente vs. Integração

O processador quântico, e os qubits que ele contém, devem ser fortemente isolados do ambiente. Quando um qubit interage com o ambiente ao redor (por meio da absorção de luz ou calor), o estado atual de um qubit pode ser perdido, criando um erro. Garantir o isolamento envolve o uso de sistemas de alto vácuo e refrigeração para prevenir a decoerência de um qubit.

É aqui que um número de componentes e sistemas são necessários para garantir o isolamento:

• Bombas de vácuo de ultra-alta

• Sistemas de refrigeração por diluição

• Sistemas de termostato de baixa temperatura

• Blindagem eletromagnética

• Tubulação para refrigerante de hélio líquido e nitrogênio líquido

Controlar esses sistemas requer um processador clássico para ler medições de vácuo e temperatura e fazer ajustes na potência do vácuo e temperatura. Isso não requer um poder de computação clássica massivo. Um MPU típico ou FPGA contém poder de processamento suficiente para rodar esses sistemas de controle e garantir o isolamento, bem como para entregar dados a uma aplicação rodando em um computador clássico. Continuando a ampliar a visão, pode haver equipamentos de rede e outros sistemas ao redor da coluna principal em um computador quântico que permite que ele se interfaceie com outros sistemas via nuvem. O requisito de isolamento tem sido uma espada de dois gumes para tudo isso até muito recentemente.

No final de fevereiro de 2022, foi anunciado que Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) construíram e testaram um sistema que permite que componentes comerciais em placas de circuito padrão operem em proximidade com dispositivos ultra-frios usados em computadores quânticos. O desafio com a integração no nível da placa de circuito é o calor gerado pela eletrônica convencional pode causar decoerência em um qubit, o que destrói o estado quântico e cria um erro. Isso é apenas um passo em direção à integração de componentes quânticos e clássicos no nível do sistema.

Outro avanço recente envolve a integração no nível do chip. No início de fevereiro, pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e do Laboratório de Cambridge da Hitachi projetaram um circuito integrado CMOS de 40 nm com pontos quânticos de silício e circuitos de leitura multiplexados no domínio do tempo no mesmo die. Embora não seja um processador de propósito geral, o resultado ilustra a possibilidade de construir componentes de computação quântica em escala com um processo CMOS padrão.

Processadores Quânticos

O principal componente que faz um computador quântico funcionar é o processador quântico. Existem diferentes tipos de processadores quânticos (fotônicos, spintrônicos, armadilha de íons e outros), assim como os processadores clássicos. Mais recentemente, foi demonstrado que os processadores quânticos de armadilha de íons fornecem maior isolamento para os qubits. Além disso, eles oferecem maior poder de computação com uma contagem menor de qubits em comparação com outros processadores.

Em 28 de março de 2022, agora é possível adquirir uma unidade de processamento quântico (QPU) de 25 qubits da QuantWare, uma empresa originada da Universidade de Delft, na Holanda. Anteriormente, a empresa lançou um processador de 5 qubits pronto para uso em julho de 2021. A QuantWare deseja se tornar uma das principais fabricantes de chips que desenvolvem e produzem processadores quânticos em pequena escala. Atualmente, seus processadores quânticos personalizados de 25 qubits podem ser entregues aos clientes em 30 dias. Logicamente, segue-se que ASICs quânticos e SoCs quânticos estão na lista dos próximos produtos disponíveis.

Embora a nova oferta de produto da QuantWare não seja o único processador quântico que já foi criado, é certamente o primeiro a ser disponibilizado comercialmente como um componente pronto para uso. Alguns dos processadores quânticos notáveis de tempos recentes incluem sistemas anunciados por empresas como Intel, IBM, Honeywell, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China e Rigetti. O ecossistema de hardware para suportar a computação quântica está começando a crescer rapidamente, mas requer muito mais do que apenas processadores quânticos.

Circuitos Supercondutores

Dados de entrada e saída de um processador quântico devem ser enviados de volta a um sistema de leitura usando circuitos feitos de materiais supercondutores. Esses circuitos de interface e leitura devem ser resfriados a temperaturas de ~10 mK. Apenas para comparação, a temperatura de fundo do universo é de apenas ~3 K. Em última análise, esses circuitos se conectam de volta a um sistema de leitura (veja abaixo) para que os dados possam ser capturados.

Materiais supercondutores (exceto óxidos de cobre a menos de ~35 K) não são algo que pode ser adquirido comercialmente. A circuitaria supercondutora usada em processadores quânticos e interconexões de leitura atualmente é feita sob medida, mas eventualmente se conecta a um conjunto de componentes de micro-ondas. É aqui que os designers de RF e os componentes que eles usam se tornam críticos.

Fontes/Detectores de Micro-ondas Coerentes e Cabos Coaxiais

Até os computadores quânticos foram vítimas da escassez de componentes especializados. Em um artigo recente da MIT Technology Review, Martin Giles lamentou "Teríamos mais computadores quânticos se não fosse tão difícil encontrar os malditos cabos." Embora alguns cabos supercondutores especializados sejam necessários para transferir dados, eles se conectam de volta a um conjunto de componentes clássicos para a leitura de dados.

Componentes padrão usados em front-ends de RF podem ser usados no topo da coluna para originar, amplificar e capturar sinais de leitura, que são então convertidos em bits clássicos com ADCs de alta largura de banda/baixo ruído. Isso é um pouco simplista, pois existe uma série de amplificadores, filtros e um detector usados para condicionar e capturar o sinal de leitura. Enquanto a percepção do quântico como um conjunto de tecnologias super avançadas cria a impressão de que componentes de RF avançados são necessários, esses sistemas estão operando em frequências moderadas de ondas milimétricas. Por exemplo, um dos sistemas de leitura da Intel opera a apenas 20 GHz, o que está confortavelmente dentro da faixa de operação de muitos sistemas de RF.

Desafios e Oportunidades

Padronização

Atualmente, toda a eletrônica clássica usada em sistemas de controle para computadores quânticos é feita sob medida a partir de componentes discretos. A integração desses sistemas ajudará na miniaturização, assim como ocorreu com os computadores clássicos ao longo do tempo. A responsabilidade por isso é dividida entre fabricantes de chips, designers de eletrônicos e integradores de sistemas quânticos. É improvável que os fabricantes de chips assumam essa responsabilidade em breve, colocando o ônus nos designers de sistemas para integrar sistemas de controle e leitura.

Para comercializar essas tecnologias e trazer novos produtos ao mercado, eles devem ser interoperáveis com a eletrônica convencional e entre si, algo que está sendo ativamente perseguido. Tornar os computadores quânticos interoperáveis, mais poderosos (isso é mais do que apenas a contagem de qubits) e miniaturizados também requer adotar uma abordagem modular, algo que será possibilitado por uma maior padronização. Organizações como o Quantum Economic Development Consortium (divulgação completa: sou um ex-membro do comitê de desenvolvimento da força de trabalho deles) estão focando no desenvolvimento desses padrões para auxiliar uma maior comercialização.

Uma maior padronização dos componentes ajudará mais designers a se envolverem no desenvolvimento de novos sistemas para apoiar a computação quântica. À medida que mais componentes e sistemas quânticos se tornam padronizados e comercializados, eles serão integrados de forma mais contínua com sistemas eletrônicos maiores. Atualmente, computadores clássicos são usados para sistemas de controle e leitura, bem como para conectar computadores quânticos à nuvem.

Crescimento Real do Mercado

Quanto ao crescimento do mercado nos próximos anos, as projeções de tamanho de mercado variam de $830 milhões a $5 bilhões até 2024, e estamos bem no caminho para alcançar esse objetivo. Wall Street começou a prestar atenção, e alguns nomes bem conhecidos de computação quântica foram levados ao público através de fusões de SPAC de bilhões de dólares em 2021. Se essa tecnologia é superestimada ou entregará a próxima onda de inovação tecnológica massiva ainda está para ser visto, mas os designers provavelmente verão alguns dos primeiros sistemas quânticos comercialmente disponíveis e ferramentas de desenvolvimento se tornarem disponíveis muito em breve.

À medida que os componentes e sistemas de computadores quânticos se tornam comercializados, a Octopart estará aqui para oferecer recursos de gestão da cadeia de suprimentos aos designers. Não importa o tipo de sistema ou subsistema que você está projetando para suportar computadores quânticos, o motor de busca da Octopart inclui recursos avançados de filtragem para ajudá-lo a selecionar exatamente os componentes de que precisa. Confira nossa página de circuitos integrados para iniciar a busca pelos seus componentes ideais.

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