Cientistas dizem que a tecnologia quântica atingiu seu momento de transistor

O artigo foi escrito por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade de Stanford, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, e da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. Ele examina o estado atual do hardware de informação quântica e destaca as principais oportunidades e obstáculos envolvidos na construção de computadores quânticos, redes de comunicação e sistemas de detecção escaláveis.

“Este momento transformador na tecnologia quântica lembra os primeiros dias do transistor”, disse o autor principal David Awschalom, professor da família Liew de engenharia molecular e física na Universidade de Chicago e diretor do Chicago Quantum Exchange e do Chicago Quantum Institute. “Os conceitos básicos da física estão estabelecidos, os sistemas funcionais existem e agora devemos nutrir as parcerias e os esforços coordenados necessários para alcançar o potencial total da tecnologia em escala de utilidade. Como enfrentaremos os desafios das arquiteturas quânticas escalonáveis ​​e modulares?”

Dos experimentos de laboratório aos primeiros usos no mundo real

Nos últimos dez anos, as tecnologias quânticas progrediram de experiências de prova de conceito para sistemas capazes de suportar aplicações iniciais em comunicação, detecção e computação. Os autores atribuem este rápido progresso à estreita colaboração entre universidades, agências governamentais e indústria, a mesma combinação de parcerias que ajudou a microeletrónica a amadurecer no século XX.

Comparando as plataformas de hardware Quantum atuais

O estudo analisa seis principais plataformas de hardware quântico: qubits supercondutores, íons aprisionados, defeitos de spin, pontos quânticos semicondutores, átomos neutros e qubits fotônicos ópticos. Para comparar o quanto cada plataforma avançou em computação, simulação, rede e detecção, os pesquisadores usaram modelos de IA em grandes linguagens, como ChatGPT e Gemini, para estimar os níveis de prontidão tecnológica (TRL).

Os TRLs medem o grau de maturidade de uma tecnologia, utilizando uma escala de 1 (princípios básicos observados em ambiente de laboratório) a 9 (comprovados em ambiente operacional). Um TRL mais elevado não significa necessariamente que uma tecnologia esteja próxima de ser amplamente utilizada, mas sim que demonstrou uma funcionalidade de sistema mais completa.

A análise fornece um instantâneo de onde o campo está hoje. Embora alguns protótipos avançados já possam funcionar como sistemas completos e sejam acessíveis através de plataformas de nuvem pública, o seu desempenho global permanece limitado. Muitas aplicações de alto impacto, incluindo simulações de química quântica em grande escala, poderiam exigir milhões de qubits físicos com taxas de erro muito superiores às que a tecnologia atual pode suportar.

Por que a prontidão tecnológica precisa de contexto

Avaliar a prontidão sem perspectiva histórica pode ser enganoso, explicou o co-autor William D. Oliver, Henry Ellis Warren (1894) Professor de engenharia elétrica e ciência da computação, professor de física e diretor do Centro de Engenharia Quântica do MIT.

“Embora os chips semicondutores da década de 1970 fossem TLR-9 para aquela época, eles podiam fazer muito pouco em comparação com os circuitos integrados avançados de hoje”, disse ele. “Da mesma forma, um TRL elevado para tecnologias quânticas hoje não indica que o objetivo final foi alcançado, nem indica que a ciência foi feita e apenas a engenharia permanece. Em vez disso, reflete uma demonstração significativa, embora relativamente modesta, em nível de sistema, que foi alcançada – uma demonstração que ainda precisa ser substancialmente melhorada e dimensionada para concretizar toda a promessa.”

Dimensionando desafios e lições da história da computação

Entre as plataformas estudadas, os qubits supercondutores tiveram a pontuação mais alta para a computação quântica, os átomos neutros lideraram a simulação quântica, os qubits fotônicos tiveram a melhor classificação para redes quânticas e os defeitos de spin tiveram o melhor desempenho para a detecção quântica.

Os autores identificam vários obstáculos importantes que devem ser superados para que os sistemas quânticos possam escalar de forma eficaz. Avanços na ciência e fabricação de materiais são necessários para produzir dispositivos consistentes e de alta qualidade que possam ser fabricados de forma confiável e em escala. A fiação e a entrega de sinais continuam sendo grandes desafios de engenharia, uma vez que a maioria das plataformas ainda depende de linhas de controle individuais para cada qubit. Simplesmente adicionar mais fiação torna-se impraticável à medida que os sistemas avançam para milhões de qubits. (Problemas semelhantes foram enfrentados na década de 1960 pelos engenheiros da computação, conhecidos como a tirania dos números.) O gerenciamento de energia, o controle de temperatura, a calibração automatizada e a coordenação em nível de sistema apresentam desafios adicionais que crescerão à medida que os sistemas quânticos se tornarem mais complexos.

O artigo traça paralelos com o longo cronograma de desenvolvimento da eletrônica clássica. Muitos avanços transformadores, incluindo técnicas de litografia e novos materiais de transistores, levaram anos ou mesmo décadas para passar dos laboratórios de pesquisa para a produção industrial. Os autores argumentam que a tecnologia quântica provavelmente seguirá um caminho semelhante. Salientam a necessidade de uma concepção de sistemas descendente, de uma colaboração científica aberta que evite a fragmentação precoce e de expectativas realistas.

“A paciência tem sido um elemento-chave em muitos desenvolvimentos marcantes”, escrevem eles, “e aponta para a importância de moderar as expectativas do cronograma nas tecnologias quânticas”.