Pesquisadores do CBPF e UNICAMP desenvolvem um chip quântico supercondutor

Um chip quântico supercondutor foi desenvolvido por pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). O CBPF conta com importante apoio da Petrobras e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), por meio do Programa Cientista do Nosso Estado. Já o grupo do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp recebe apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).

Os computadores quânticos estão no topo da agenda científico-tecnológica dos países desenvolvidos que, juntos, investiram no ano de 2020 mais de US$ 20 bilhões no desenvolvimento de tecnologias quânticas. Por este motivo, ao longo da última década, importantes progressos foram alcançados no desenvolvimento de bits quânticos (q-bits) supercondutores, como uma arquitetura escalável para o processamento de informação quântica. Devido a estes avanços, empresas como as norte-americanas IBM, Google e Rigetti, bem como a canadense D-Wave, apostam na tecnologia de circuitos supercondutores para a fabricação de chips de computadores quânticos.

O computador quântico

O computador, seja ele clássico ou quântico, é um objeto físico, portanto sujeito às leis da Física. Para entender melhor a computação quântica é interessante saber a diferença elementar em relação à computação clássica.

O computador clássico, usado no dia-a-dia, manipula unidades de processamento que são os bits, um conceito matemático que assume o valor zero (0) ou o valor um (1). Dentro do computador, fisicamente, o que representa o bit é o transistor, um elemento de circuito que, quando tem uma corrente passando por ele, representa o bit um e, quando não tem corrente, representa o bit zero.

Quando se opera um computador clássico, uma imagem por exemplo, a informação desta imagem está gravada numa sequência de zeros e uns e, portanto, por um conjunto de transistores que estão no chip, na central de processamento do computador. Quando a imagem se desloca de uma posição para outra, significa que esses zeros e uns estão mudando, ou seja, onde era zero passa a ser um e onde era um passa a ser zero. Isto só pode acontecer em sequência, porque no bit clássico, que é representado por esta corrente do transistor, os valores zero e um são mutuamente excludentes, isto é, ou é zero ou é um.

O computador quântico é diferente porque ele explora fenômenos quânticos. No mundo quântico os objetos podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, o estado físico deles é tal que isto acontece fisicamente. Não entendemos este processo porque vivemos numa escala em que não se consegue perceber, mas no mundo dos objetos quânticos é possível; na verdade, é um fenômeno comum. O fato de não conseguirmos entender não quer dizer que não exista.

Os q-bits, que são as unidades de informação quântica, representados fisicamente pelos “transistores quânticos” permitem que um computador quântico seja capaz de operar os dois valores lógicos zero e um simultaneamente, ou seja, é como se tivesse corrente passando e ao mesmo tempo não passando. Isto quer dizer que, se houver mil desses transistores quânticos funcionando, pode-se operar com todas as combinações possíveis de zeros e uns ao mesmo tempo e não sequencialmente.

A principal diferença entre os dois tipos de computadores é que o computador clássico funciona sequencialmente no tempo e opera com uma informação de cada vez. Já no computador quântico tudo é simultâneo, ele opera com toda a informação possível ao mesmo tempo, é uma maneira diferente de processar. Isto confere uma espécie de paralelismo colossal de processamento da informação no computador quântico.

O impacto do computador quântico na sociedade

Com o computador quântico conseguiremos fazer coisas que são impossíveis de serem feitas hoje: desenvolvimento de novos fármacos, produtos químicos, novos materiais, soluções para problemas de matemática e de engenharia que ainda não se conhece.

Uma das aplicações mais importantes que se antevê para a computação quântica é a produção de novos fármacos. A possibilidade de simulações de reações químicas complexas em um computador quântico será fundamental para a pesquisa e produção de novos fármacos. Será uma engenharia de fármacos baseada nos mecanismos mais elementares da natureza, que são as reações químicas. Ao calcular estas reações se obtém o desenho de um fármaco. Caso tivéssemos um computador quântico funcionando plenamente em dezembro de 2019, possivelmente em janeiro de 2020 já teríamos uma vacina contra a Covid-19.

A importância de desenvolver um chip quântico

O chip quântico desenvolvido pela primeira vez no Brasil por essa parceria entre CBPF e UNICAMP é o dispositivo físico que permite que o q-bit opere com zero e um ao mesmo tempo. Aprender e entender como esta tecnologia funciona é estratégico, pois quando o computador quântico se concretizar na sua plenitude e começar a resolver problemas industriais, terá um impacto imensamente grande na sociedade.

Será parecido com o que aconteceu com o domínio da energia nuclear. Dentre os países que têm o controle da energia nuclear hoje, o Brasil é um que teve que aprender a fazer. É necessário adquirir a habilidade tecnológica, do contrário o país se tornará dependente de outras nações tendo que comprar o serviço ou ainda se não comprar ficará obsoleto.

Há cerca de dois anos, pesquisadores do CBPF e do IFGW da UNICAMP se juntaram com o objetivo de desenvolver esta tecnologia e fabricar dispositivos quânticos supercondutores no Brasil. Apesar das grandes dificuldades trazidas pela pandemia do coronavírus, o grupo obteve neste início de 2022 os primeiros resultados promissores. Um exemplo de estrutura fabricada pelo grupo é mostrado na figura abaixo, destacando a junção Josephson dentro da cavidade supercondutora.

Imagem de um q-bit do tipo Transmon e cavidade supercondutora, fabricados nos laboratórios do IFGW e do CBPF, utilizando filmes de nióbio e junções Josephson de alumínio. A figura da esquerda mostra a estrutura completa, da cavidade e do q-bit. Detalhes do q-bit são mostrados nas amplificações da direita. A junção Josephson construída dentro da cavidade é mostrada na figura de baixo do lado direito.

Nestes sistemas, os circuitos de controle e medida são feitos utilizando materiais supercondutores como nióbio, e os q-bits são fabricados a partir de junções Josephson de alumínio.  Estes elementos são construídos a partir de técnicas de micro e nanofabricação similares àquelas utilizadas para micro e nanoeletrônica de chips semicondutores.

Como as características quânticas de interesse para computação e informação quântica nestes sistemas só aparecem em condições muito especiais, estes dispositivos precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas e mantidos em um ambiente ultrabaixo de ruído eletromagnético. Por isso, estes sistemas são operados em temperaturas de mili-Kelvin (~20mK), em um equipamento blindado ao ruído eletromagnético.

Além disso, técnicas especiais de medidas em circuitos na faixa de micro-ondas e radiofrequência em temperaturas criogênicas (temperaturas muito baixas) são utilizadas para manipular os q-bits. O dispositivo está para um computador quântico assim como o transistor está para um computador usual.

Até o final do ano de 2022, o grupo almeja o domínio desta tecnologia de fabricação de chips quânticos, bem como a demonstração da execução de algoritmos quânticos nos mesmos.