A Microsoft apresentou nesta quarta-feira, 19, o Majorana 1, o primeiro chip quântico do mundo equipado com uma nova arquitetura de núcleo topológico que, segundo a empresa, criará computadores quânticos capazes de resolver problemas significativos em escala industrial em anos, não décadas.

Ele utiliza o primeiro topocondutor do mundo, um tipo inovador de material que pode observar e controlar partículas de Majorana para produzir qubits mais confiáveis ??e escaláveis, que são os blocos de construção dos computadores quânticos.

Da mesma forma que a invenção dos semicondutores tornou possíveis os smartphones, computadores e eletrônicos de hoje, os topocondutores e o novo tipo de chip que eles permitem oferecem um caminho para o desenvolvimento de sistemas quânticos que podem ser dimensionados para um milhão de qubits e são capazes de lidar com os problemas industriais e sociais mais complexos, disse a Microsoft.

“Demos um passo para trás e dissemos ‘OK, vamos inventar o transistor para a era quântica. Quais propriedades ele precisa ter?'”, disse Chetan Nayak, membro técnico da Microsoft. “E foi assim que chegamos aqui – é a combinação particular, a qualidade e os detalhes importantes em nossa nova pilha de materiais que permitiram um novo tipo de qubit e, finalmente, toda a nossa arquitetura.”

Esta nova arquitetura usada para desenvolver o processador Majorana 1 oferece um caminho claro para encaixar um milhão de qubits em um único chip que pode caber na palma da mão, disse a Microsoft. Este é um limite necessário para que os computadores quânticos forneçam soluções transformadoras do mundo real – como quebrar microplásticos em subprodutos inofensivos ou inventar materiais autocuráveis ??para construção, manufatura ou assistência médica. Todos os computadores atuais do mundo operando juntos não podem fazer o que um computador quântico de um milhão de qubits será capaz de fazer.

“O que quer que você esteja fazendo no espaço quântico precisa ter um caminho para um milhão de qubits. Se não tiver, você vai bater em uma parede antes de chegar à escala na qual pode resolver os problemas realmente importantes que nos motivam”, disse Nayak. “Na verdade, descobrimos um caminho para um milhão.”

O topocondutor, ou supercondutor topológico, é uma categoria especial de material que pode criar um estado inteiramente novo da matéria – não um sólido, líquido ou gasoso, mas um estado topológico. Isso é aproveitado para produzir um qubit mais estável que é rápido, pequeno e pode ser controlado digitalmente, sem as compensações exigidas pelas alternativas atuais. Um novo artigo publicado quarta-feira na Nature descreve como os pesquisadores da Microsoft foram capazes de criar as propriedades quânticas exóticas do qubit topológico e também medi-las com precisão, uma etapa essencial para a computação prática.

Essa descoberta exigiu o desenvolvimento de uma pilha de materiais inteiramente nova feita de arsenieto de índio e alumínio, muitos dos quais a Microsoft projetou e fabricou átomo por átomo. O objetivo era persuadir novas partículas quânticas chamadas Majoranas a existir e aproveitar suas propriedades únicas para alcançar o próximo horizonte da computação quântica, disse a Microsoft.

O primeiro núcleo topológico do mundo que alimenta o Majorana 1 é confiável por design, incorporando resistência a erros no nível de hardware, o que o torna mais estável.

Aplicações comercialmente importantes também exigirão trilhões de operações em um milhão de qubits, o que seria proibitivo com abordagens atuais que dependem de controle analógico ajustado de cada qubit. A nova abordagem de medição da equipe da Microsoft permite que os qubits sejam controlados digitalmente, redefinindo e simplificando enormemente como a computação quântica funciona.

Esse progresso valida a escolha da Microsoft anos atrás de buscar um design de qubit topológico – um desafio científico e de engenharia de alto risco e alta recompensa que agora está dando resultado. Hoje, a empresa colocou oito qubits topológicos em um chip projetado para escalar até um milhão.Matthias Troyer, Microsoft technical fellow. Foto de John Brecher para a Microsoft.

“Desde o início, queríamos fazer um computador quântico para impacto comercial, não apenas liderança de pensamento”, disse Matthias Troyer, membro técnico da Microsoft. “Sabíamos que precisávamos de um novo qubit. Sabíamos que tínhamos que escalar.”

Essa abordagem levou a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), uma agência federal que investe em tecnologias inovadoras que são importantes para a segurança nacional, a incluir a Microsoft em um programa rigoroso para avaliar se tecnologias inovadoras de computação quântica poderiam construir sistemas quânticos comercialmente relevantes mais rápido do que se acreditava convencionalmente ser possível.

A Microsoft é agora uma das duas empresas convidadas a passar para a fase final do programa Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) da DARPA — um dos programas que compõem a maior Quantum Benchmarking Initiative da DARPA — que visa fornecer o primeiro computador quântico tolerante a falhas em escala de utilidade pública do setor, ou um cujo valor computacional exceda seus custos.

“Ele apenas lhe dá a resposta”

Além de fabricar seu próprio hardware quântico, a Microsoft fez parcerias com a Quantinuum e a Atom Computing para alcançar avanços científicos e de engenharia com os qubits atuais, incluindo o anúncio no ano passado do primeiro computador quântico confiável do setor .

Esses tipos de máquinas oferecem oportunidades importantes para desenvolver habilidades quânticas, construir aplicativos híbridos e impulsionar novas descobertas, particularmente porque a IA é combinada com novos sistemas quânticos que serão alimentados por números maiores de qubits confiáveis. Hoje, o Azure Quantum oferece um conjunto de soluções integradas que permitem que os clientes aproveitem essas plataformas líderes de IA, computação de alto desempenho e quânticas no Azure para avançar na descoberta científica.

Mas atingir o próximo horizonte da computação quântica exigirá uma arquitetura quântica que possa fornecer um milhão de qubits ou mais e atingir trilhões de operações rápidas e confiáveis. O anúncio de hoje coloca esse horizonte dentro de anos, não décadas, disse a Microsoft.

Como podem usar a mecânica quântica para mapear matematicamente como a natureza se comporta com incrível precisão — de reações químicas a interações moleculares e energias enzimáticas — máquinas de milhões de qubits devem ser capazes de resolver certos tipos de problemas em química, ciência de materiais e outras indústrias que são impossíveis de serem calculados com precisão pelos computadores clássicos de hoje.

• Por exemplo, eles poderiam ajudar a resolver a difícil questão química de por que os materiais sofrem corrosão ou rachaduras. Isso poderia levar a materiais auto-reparadores que consertam rachaduras em pontes ou peças de avião, telas de telefone quebradas ou portas de carro arranhadas.
• Como há tantos tipos de plásticos, não é possível encontrar atualmente um catalisador universal que possa quebrá-los – especialmente importante para limpar microplásticos ou lidar com a poluição de carbono. A computação quântica poderia calcular as propriedades desses catalisadores para quebrar poluentes em subprodutos valiosos ou desenvolver alternativas não tóxicas em primeiro lugar.
• Enzimas, um tipo de catalisador biológico, poderiam ser aproveitadas de forma mais eficaz na área da saúde e agricultura, graças a cálculos precisos sobre seu comportamento que somente a computação quântica pode fornecer. Isso poderia levar a avanços que ajudem a erradicar a fome global: aumentando a fertilidade do solo para aumentar a produtividade ou promovendo o crescimento sustentável de alimentos em climas severos.

Acima de tudo, a computação quântica poderia permitir que engenheiros, cientistas, empresas e outros simplesmente projetassem as coisas corretamente na primeira vez – o que seria transformador para tudo, desde a assistência médica até o desenvolvimento de produtos. O poder da computação quântica, combinado com ferramentas de IA, permitiria que alguém descrevesse que tipo de novo material ou molécula deseja criar em linguagem simples e obtivesse uma resposta que funcionasse imediatamente – sem suposições ou anos de tentativa e erro.

“Qualquer empresa que faça qualquer coisa poderia simplesmente projetá-la perfeitamente na primeira vez. Ela simplesmente lhe daria a resposta”, disse Troyer. “O computador quântico ensina à IA a linguagem da natureza para que a IA possa simplesmente lhe dizer a receita do que você quer fazer.”

Repensando a computação quântica em escala

O mundo quântico opera de acordo com as leis da mecânica quântica, que não são as mesmas leis da física que governam o mundo que vemos. As partículas são chamadas de qubits, ou bits quânticos, análogos aos bits, ou uns e zeros, que os computadores agora usam.

Qubits são exigentes e altamente suscetíveis a perturbações e erros que vêm de seu ambiente, o que faz com que eles se desintegrem e informações sejam perdidas. Seu estado também pode ser afetado pela medição – um problema porque a medição é essencial para a computação. Um desafio inerente é desenvolver um qubit que possa ser medido e controlado, ao mesmo tempo em que oferece proteção contra ruído ambiental que os corrompe.

Qubits podem ser criados de diferentes maneiras, cada uma com vantagens e desvantagens. Quase 20 anos atrás, a Microsoft decidiu adotar uma abordagem única: desenvolver qubits topológicos, que acreditava que ofereceriam qubits mais estáveis, exigindo menos correção de erros, desbloqueando assim vantagens de velocidade, tamanho e controlabilidade. A abordagem apresentou uma curva de aprendizado íngreme, exigindo avanços científicos e de engenharia desconhecidos, mas também o caminho mais promissor para criar qubits escaláveis ??e controláveis, capazes de fazer um trabalho comercialmente valioso.

A desvantagem é – ou era – que até recentemente as partículas exóticas que a Microsoft tentou usar, chamadas Majoranas, nunca tinham sido vistas ou feitas. Elas não existem na natureza e só podem ser induzidas à existência com campos magnéticos e supercondutores. A dificuldade de desenvolver os materiais certos para criar as partículas exóticas e seu estado topológico de matéria associado é o motivo pelo qual a maioria dos esforços quânticos se concentrou em outros tipos de qubits.

O artigo da Nature marca a confirmação revisada por pares de que a Microsoft não só conseguiu criar partículas de Majorana, que ajudam a proteger informações quânticas de perturbações aleatórias, mas também pode medir essas informações de forma confiável usando micro-ondas.

Majoranas escondem informações quânticas, tornando-as mais robustas, mas também mais difíceis de medir. A nova abordagem de medição da equipe da Microsoft é tão precisa que pode detectar a diferença entre um bilhão e um bilhão e um elétrons em um fio supercondutor – o que diz ao computador em que estado o qubit está e forma a base para a computação quântica.

As medições podem ser ligadas e desligadas com pulsos de voltagem, como apertar um interruptor de luz, em vez de ajustar os mostradores para cada qubit individual. Essa abordagem de medição mais simples que permite o controle digital simplifica o processo de computação quântica e os requisitos físicos para construir uma máquina escalável.

O qubit topológico da Microsoft também tem uma vantagem sobre outros qubits por causa de seu tamanho. Mesmo para algo tão pequeno, há uma zona “Goldilocks”, onde um qubit muito pequeno é difícil de executar linhas de controle, mas um qubit muito grande requer uma máquina enorme, disse Troyer. Adicionar a tecnologia de controle individualizada para esses tipos de qubits exigiria a construção de um computador impraticável do tamanho de um hangar de avião ou campo de futebol.

“Uma coisa é descobrir um novo estado da matéria”, disse Nayak. “Outra é tirar vantagem disso para repensar a computação quântica em escala.”

Projetando materiais quânticos átomo por átomo

A arquitetura topológica de qubit da Microsoft tem nanofios de alumínio unidos para formar um H. Cada H tem quatro Majoranas controláveis ??e faz um qubit. Esses Hs também podem ser conectados e dispostos pelo chip como muitos tiles.

“É complexo no sentido de que tivemos que mostrar um novo estado da matéria para chegar lá, mas depois disso, é bem simples. Ele se desdobra. Você tem essa arquitetura muito mais simples que promete um caminho muito mais rápido para escalar”, disse Krysta Svore, Microsoft Technical Fellow.

O chip quântico não funciona sozinho. Ele existe em um ecossistema com lógica de controle, um refrigerador de diluição que mantém os qubits em temperaturas muito mais frias do que o espaço sideral e uma pilha de software que pode se integrar com IA e computadores clássicos. Todas essas peças existem, construídas ou modificadas inteiramente internamente, ela disse.

Para ser claro, continuar a refinar esses processos e fazer com que todos os elementos trabalhem juntos em escala acelerada exigirá mais anos de trabalho de engenharia. Mas muitos desafios científicos e de engenharia difíceis já foram superados, disse a Microsoft.

Conseguir que a pilha de materiais seja correta para produzir um estado topológico da matéria foi uma das partes mais difíceis, acrescentou Svore. Em vez de silício, o topocondutor da Microsoft é feito de arsenieto de índio, um material atualmente usado em aplicações como detectores infravermelhos e que tem propriedades especiais. O semicondutor é casado com supercondutividade, graças ao frio extremo, para fazer um híbrido.

“Estamos literalmente pulverizando átomo por átomo. Esses materiais precisam se alinhar perfeitamente. Se houver muitos defeitos na pilha de materiais, isso simplesmente mata seu qubit”, disse Svore.

“Ironicamente, é também por isso que precisamos de um computador quântico – porque entender esses materiais é incrivelmente difícil. Com um computador quântico em escala, seremos capazes de prever materiais com propriedades ainda melhores para construir a próxima geração de computadores quânticos além da escala”, disse ela. Texto original de Catarina Bolgar, do News Service da Microsoft.