Um novo estado da matéria acaba de mudar o futuro da computação quântica
Pesquisadores da Microsoft e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB) revelaram um processador quântico topológico de oito qubits, denominado Majorana 1, marcando um avanço significativo rumo à construção de computadores quânticos mais estáveis e eficientes. Este desenvolvimento baseia-se na criação de um novo estado da matéria conhecido como supercondutor topológico, que promete tornar a computação quântica mais rápida e confiável.
Uma Nova Era na Computação Quântica
Em colaboração com físicos da UCSB, a Microsoft apresentou o Majorana 1, o primeiro processador quântico topológico de oito qubits. Este chip inovador serve como prova de conceito, abrindo caminho para o desenvolvimento de computadores quânticos topológicos completos. Chetan Nayak, diretor do Microsoft Station Q e professor de física na UCSB, destacou que a equipe vinha trabalhando discretamente em várias frentes e agora está divulgando todos os avanços de uma só vez. O chip foi apresentado na conferência anual do Station Q em Santa Bárbara e detalhado em um artigo publicado na revista Nature, onde os pesquisadores compartilham medições-chave desses novos qubits.
O Poder de um Novo Estado da Matéria
Nayak explicou que a equipe criou um novo estado da matéria chamado supercondutor topológico. Esta fase da matéria abriga fronteiras exóticas conhecidas como modos zero de Majorana (MZMs), que são úteis para a computação quântica. Resultados de simulações rigorosas e testes de seus dispositivos heteroestruturados são consistentes com a observação de tais estados. Isso demonstra que é possível realizar o feito de forma rápida e precisa.
A Magia dos Majoranas: A Chave para a Estabilidade
A promessa da computação quântica reside na velocidade e potência de seus cálculos, esperados para superar até mesmo os supercomputadores clássicos mais avançados. Tudo isso depende do qubit, a versão quântica do bit, a unidade fundamental de informação para computadores clássicos. Enquanto bits clássicos existem apenas nos estados zero ou um, qubits podem representar zero, um e combinações intermediárias.
Qubits podem assumir diferentes formas, utilizando comportamentos quânticos de íons aprisionados ou fótons, por exemplo. Sistemas topológicos baseiam-se em um tipo diferente de partícula chamada anyon, uma espécie de “quasipartícula” que surge como resultado dos estados correlacionados de muitas partículas interagindo na superfície de um material, neste caso, um nanofio supercondutor.
O que torna a computação quântica topológica um campo de pesquisa tão quente é a promessa de maior estabilidade e robustez contra erros em comparação com outros sistemas de computação quântica. Qubits podem ser propensos a erros, exigindo que os construtores de computadores quânticos compensem isso, por exemplo, construindo mais qubits para correção de erros.
Construindo Resistência a Erros no Nível de Hardware
Uma abordagem complementar é incorporar a correção de erros diretamente no hardware, afirmou Nayak. Como a informação quântica é distribuída e armazenada em um sistema físico, em vez de em partículas ou átomos individuais, a informação manipulada pelos qubits topológicos é menos suscetível à perda de coerência, resultando em um sistema mais tolerante a falhas.
Mas não é qualquer quasipartícula que serve. Para a computação quântica topológica, as partículas de Majorana — mais especificamente os modos zero de Majorana — são a ferramenta de escolha. Nomeadas em homenagem ao físico italiano Ettore Majorana, que as previu em 1937, essas partículas são especiais porque são suas próprias antipartículas e são capazes de reter uma “memória” de suas posições relativas ao longo do tempo. Ao “trançá-las” — movendo-as fisicamente umas em torno das outras — é possível criar uma lógica quântica mais robusta.
Os pesquisadores realizaram esses MZMs através da colocação de um nanofio semicondutor de arseneto de índio muito próximo a um supercondutor de alumínio. Sob as condições adequadas, o fio semicondutor torna-se supercondutor e entra em uma fase topológica. MZMs emergem nas extremidades do fio, enquanto o restante do fio apresenta um gap de energia. Quanto maior esse gap topológico, mais robusta é a fase topológica.
Um Pequeno, mas Poderoso Passo Adiante
Com oito qubits, o processador topológico dos pesquisadores é apenas um embrião no mundo dos computadores quânticos, mas representa um marco significativo na busca de décadas dos cientistas para desenvolver um computador quântico topológico. Ao longo do caminho, disse Nayak, houve parcerias frutíferas entre o Station Q e a universidade, especialmente no campo da criação de materiais que hospedam comportamentos quânticos topológicos.
Chris Palmstrøm tem sido um colaborador em vários momentos e fez avanços importantes nesses tipos de materiais, disse ele sobre o especialista em materiais eletrônicos, enquanto a cientista de materiais Susanne Stemmer contribuiu com sua expertise em processos de fabricação. O Station Q também contratou muitos estudantes para sua equipe e, importante, acrescentou Nayak, o conceito de heteroestrutura semicondutora nasceu das ideias premiadas com o Nobel do falecido Herb Kroemer, que foi professor no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação.
Há uma longa história de expertise e talento na UCSB nessas combinações de materiais e nessa ciência de materiais de ponta que abre novos tipos de física que podemos explorar.
