Este minúsculo chip pode mudar o futuro da computação quântica

Tão importante quanto o tamanho é a forma como o dispositivo é feito. Em vez de depender de equipamento de laboratório personalizado, os investigadores utilizaram métodos de fabrico escaláveis, semelhantes aos que produzem os processadores encontrados em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos – essencialmente qualquer tecnologia alimentada por eletricidade (até torradeiras). Essa abordagem torna o dispositivo muito mais prático para produzir em grandes números.

Um pequeno dispositivo construído para a escala do mundo real

A pesquisa foi liderada por Jake Freedman, um novo estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e Energia, ao lado de Matt Eichenfield, professor e Karl Gustafson Endowed Chair em Engenharia Quântica. A equipe também colaborou com cientistas do Sandia National Laboratories, incluindo o co-autor sênior Nils Otterstrom. Juntos, eles criaram um dispositivo que combina tamanho pequeno, alto desempenho e baixo custo, tornando-o adequado para produção em massa.

No centro da tecnologia estão as vibrações de frequência de micro-ondas que oscilam bilhões de vezes por segundo. Essas vibrações permitem que o chip manipule a luz laser com notável precisão.

Ao controlar diretamente a fase de um feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são estáveis ​​e eficientes. Este nível de controle é um requisito fundamental não apenas para a computação quântica, mas também para campos emergentes, como detecção quântica e redes quânticas.

Por que os computadores quânticos precisam de lasers ultraprecisos

Alguns dos projetos de computação quântica mais promissores usam íons presos ou átomos neutros presos para armazenar informações. Nestes sistemas, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores interagem com esses átomos direcionando feixes de laser cuidadosamente sintonizados para eles, fornecendo efetivamente instruções que permitem a realização de cálculos. Para que isso funcione, cada laser deve ser ajustado com extrema precisão, às vezes até bilionésimos de um por cento.

“Criar novas cópias de um laser com diferenças de frequência muito exatas é uma das ferramentas mais importantes para trabalhar com computadores quânticos baseados em átomos e íons”, disse Freedman. “Mas para fazer isso em escala, você precisa de tecnologia que possa gerar eficientemente essas novas frequências”.

Atualmente, essas mudanças precisas de frequência são produzidas usando grandes dispositivos de mesa que requerem uma potência substancial de microondas. Embora eficazes para pequenos experimentos, esses sistemas são impraticáveis ​​para o grande número de canais ópticos necessários em futuros computadores quânticos.

“Você não vai construir um computador quântico com 100.000 moduladores eletro-ópticos em massa em um armazém cheio de mesas ópticas”, disse Eichenfield. “Você precisa de maneiras muito mais escalonáveis ​​​​de fabricá-los, que não precisem ser montadas à mão e com longos caminhos ópticos. Enquanto você faz isso, se conseguir fazer com que todos caibam em alguns pequenos microchips e produzam 100 vezes menos calor, é muito mais provável que funcione. “

Menor uso de energia, menos calor, mais Qubits

O novo dispositivo gera mudanças de frequência de laser por meio de modulação de fase eficiente, usando cerca de 80 vezes menos energia de micro-ondas do que muitos moduladores comerciais existentes. Menor consumo de energia significa menos calor, o que permite que mais canais sejam agrupados, mesmo em um único chip.

Juntas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas que os átomos precisam para realizar cálculos quânticos.

Construído com a mesma tecnologia dos microchips modernos

Uma das conquistas mais importantes do projeto é que o dispositivo foi fabricado inteiramente em uma instalação de fabricação, ou fab, o mesmo tipo de ambiente usado para produzir microeletrônica avançada.

“A fabricação de CMOS é a tecnologia mais escalável que os humanos já inventaram”, disse Eichenfield.

“Cada chip microeletrônico em cada telefone celular ou computador possui bilhões de transistores essencialmente idênticos. Assim, usando a fabricação CMOS, no futuro, poderemos produzir milhares ou até milhões de versões idênticas de nossos dispositivos fotônicos, que é exatamente o que a computação quântica precisará.”

De acordo com Otterstorm, a equipe pegou tecnologias de moduladores que antes eram volumosas, caras e que consumiam muita energia e as redesenhou para serem menores, mais eficientes e mais fáceis de integrar.

“Estamos ajudando a impulsionar a óptica em sua própria ‘revolução de transistores’, afastando-nos do equivalente óptico dos tubos de vácuo e em direção a tecnologias fotônicas integradas e escaláveis”, disse Otterstorm.

Rumo a chips fotônicos quânticos totalmente integrados

Os pesquisadores estão agora trabalhando em circuitos fotônicos totalmente integrados que combinam geração de frequência, filtragem e modelagem de pulso em um único chip. Este esforço aproxima o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.

Em seguida, a equipe planeja fazer parceria com empresas de computação quântica para testar esses chips em computadores quânticos avançados de íons aprisionados e átomos neutros aprisionados.

“Este dispositivo é uma das peças finais do quebra-cabeça”, disse Freedman. “Estamos chegando perto de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável, capaz de controlar um grande número de qubits.”

O projeto recebeu apoio do Departamento de Energia dos EUA por meio do programa Quantum Systems Accelerator, um Centro Nacional de Pesquisa Científica da Iniciativa Quantum.