Lembro-me de estar na faculdade há mais de uma década e ouvir falar sobre computadores quânticos em minhas aulas de física de nível superior. Na época, foi bastante difícil para eu entender os conceitos centrais e para o professor explicá-los. Avançando rapidamente até hoje, os computadores quânticos finalmente se tornaram uma realidade, e a missão se tornou a de escalar a tecnologia. Se você é um desenvolvedor de algoritmos quânticos, pode até alugar tempo em um computador quântico via nuvem e executar seus próprios aplicativos quânticos.

Poucas pessoas viram o interior de um computador quântico até provavelmente os últimos dois anos, quando muitos gigantes da tecnologia começaram a divulgar alguns detalhes de seus sistemas. Agora que tivemos o privilégio de ver alguns dos detalhes mais finos que entram na construção de sistemas quânticos, torna-se mais fácil ver como são alguns dos principais componentes de um computador quântico, bem como quais funções eles desempenham. Além das estruturas usadas em processadores qubit, os componentes de computadores quânticos têm muita semelhança com seus homólogos clássicos.

No momento, a parte mais importante de um computador quântico (o processador qubit) é inteiramente personalizada, mas há uma série de outros subsistemas que fazem um computador quântico operar. Os projetistas de PCB podem desempenhar um papel maior do que eles pensam em ajudar a comercializar esses sistemas. Sem me aprofundar muito no que é um computador quântico, farei o meu melhor para explicar os papéis desempenhados pelos diferentes componentes do computador quântico.

O que torna um computador “quântico”?

Todos os computadores quânticos usam bits quânticos, ou qubits, para processar informações. A explicação popular para um computador quântico é que ele aproveita o fato de que um qubit pode existir como uma superposição (ou combinação) de estados de informação, que é interpretado como os qubits no processador de um computador quântico estando em alguma mistura de 0 e 1 estados simultaneamente. A visão filosófica alternativa da mecânica quântica (ou a interpretação de “Muitos Mundos”) sustenta que os computadores quânticos são máquinas inerentemente paralelizadas, com cópias de um computador quântico executando múltiplos cálculos em universos paralelos!

Qualquer que seja a imagem física que ajude você a entender melhor o comportamento dos qubits, os qubits em si são apenas metade da história. A outra metade depende do uso do emaranhamento, fenômeno que ainda deixa os físicos perplexos. Einstein a descreveu como “ação assustadora à distância”, pois permite que qubits sejam gravados no mesmo estado quântico, mesmo quando separados por distâncias extremamente longas. Isso traz à tona coisas como comunicação mais rápida do que a luz e até gerou aplicações como o radar quântico.

O que um computador quântico faz

Um computador quântico é projetado para manipular e ler qubits, que podem estar emaranhados com outros qubits, ou que podem estar em alguma superposição de 0 e 1. Isso depende de uma série de componentes e subsistemas importantes. Embora um computador quântico use qubits, os subsistemas de suporte que o fazem funcionar como projetado são todos os componentes clássicos, até os passivos usados em placas de circuito.

Aqui está o que é necessário para garantir que um computador quântico funcione conforme projetado:

Isolamento do ambiente x integração

O processador quântico, e os qubits que ele contém, devem ser fortemente isolados do ambiente. Quando um qubit interage com o ambiente circundante (através da absorção de luz ou calor), o estado atual de um qubit pode ser perdido, criando um erro. Garantir o isolamento envolve o uso de sistemas de alto vácuo e refrigeração para evitar que um qubit sofra descoerência.

É aqui que uma série de componentes e sistemas são necessários para garantir o isolamento:

  • Bombas de ultra-alto vácuo

  • Sistemas de refrigeração por diluição

  • Sistemas de termostato de baixa temperatura

  • Blindagem eletromagnética

  • Tubulação para refrigerante de hélio líquido e nitrogênio líquido

O controle desses sistemas requer um processador clássico para ler as medições de vácuo e temperatura e fazer ajustes na potência e temperatura do vácuo. Isso não requer grande poder de computação clássico. Um MPU ou FPGA típico contém poder de processamento suficiente para executar esses sistemas de controle e garantir o isolamento, bem como para entregar dados a um aplicativo em execução em um computador clássico. Continue a reduzir o zoom, e pode haver equipamentos de rede e outros sistemas ao redor da coluna principal em um computador quântico que permite a interface com outros sistemas via nuvem. A exigência de isolamento tem sido uma faca de dois gumes para tudo isso até recentemente.

No final de fevereiro de 2022, foi anunciado que pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) construíram e testaram um sistema que permite que componentes comerciais em placas de circuito padrão operem em estreita proximidade com dispositivos ultrafrios usados em computadores quânticos. O desafio com a integração no nível da placa de circuito é que o calor gerado pela eletrônica convencional pode fazer com que um qubit experimente decoerência, o que destrói o estado quântico e cria um erro. Este é apenas um passo para integrar componentes quânticos e clássicos no nível do sistema.

Outro avanço recente envolve a integração em nível de chip. No início de fevereiro, pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e do Hitachi Cambridge Laboratory projetaram um circuito integrado CMOS de 40 nm com pontos quânticos de silício e circuitos de leitura multiplexados convencionais no domínio do tempo na mesma matriz. Embora não seja um processador de uso geral, o resultado ilustra a possibilidade de construir componentes de computação quântica em escala com um processo CMOS padrão.

Processadores quânticos

O principal componente que faz um computador quântico funcionar é o processador quântico. Existem diferentes tipos de processadores quânticos (fotônicos, spintrônicos, armadilha de íons e outros), assim como os processadores clássicos. Mais recentemente, processadores quânticos de armadilha de íons mostraram fornecer maior isolamento para qubits. Além disso, eles fornecem maior poder de computação com uma contagem de qubits menor em comparação com outros processadores.

A partir de 28 de março de 2022, você já pode comprar uma unidade de processamento quântico (QPU) de 25 qubits da QuantWare, uma empresa criada pela Universidade de Delft, na Holanda. Anteriormente, a empresa lançou um processador de 5 qubits em julho de 2021. A QuantWare quer se tornar uma das principais fabricantes de chips que desenvolvem e produzem processadores quânticos em pequena escala. Atualmente, seus processadores quânticos personalizados de 25 qubits podem ser entregues aos clientes em 30 dias. Logicamente, segue-se que ASICs quânticos e SoCs quânticos são os próximos na lista de produtos disponíveis.

Embora a nova oferta de produtos da QuantWare não seja o único processador quântico a ser criado, é certamente o primeiro a ser disponibilizado comercialmente como um componente de prateleira. Alguns dos processadores quânticos notáveis da memória recente incluem sistemas anunciados por empresas como Intel, IBM, Honeywell, Universidade de Ciência e Tecnologia da China e Rigetti. O ecossistema de hardware para suportar a computação quântica está começando a crescer rapidamente, mas requer muito mais do que processadores quânticos.

Circuitos Supercondutores

Os dados de entrada e saída de um processador quântico devem ser alimentados de volta para um sistema de leitura usando circuitos feitos de materiais supercondutores. Esses circuitos de interface e leitura devem ser reduzidos a temperaturas de ~10 mK. Apenas para comparação, a temperatura de fundo do universo é de apenas ~3 K. Em última análise, esses circuitos se conectam de volta a um sistema de leitura (veja abaixo) para que os dados possam ser capturados.

Materiais supercondutores (além de óxidos de cobre a menos de ~35 K) não são algo que possa ser obtido comercialmente. Os circuitos supercondutores usados em processadores quânticos e interconexões de leitura são atualmente feitos sob medida, mas estes eventualmente fazem interface com um conjunto de componentes de micro-ondas. É aqui que os designers de RF e os componentes que eles usam se tornam críticos.

Fontes/Detectores de Micro-ondas Coerentes e Cabos Coaxiais

Até mesmo os computadores quânticos foram vítimas da escassez de componentes especializados. Em um artigo recente da MIT Technology Review, Martin Giles lamentou: “Teríamos mais computadores quânticos se não fosse tão difícil encontrar os malditos cabos”. Embora alguns cabos supercondutores especializados sejam necessários para transferir dados, eles se conectam novamente a um conjunto de componentes clássicos para leitura de dados.

Os componentes padrão usados em front-ends de RF podem ser usados na parte superior da coluna para originar, amplificar e capturar sinais de leitura, que são então convertidos em bits clássicos com ADCs de alta largura de banda/baixo ruído. Isso é um pouco simplista, pois há uma série de amplificadores, filtros e um detector usado para condicionar e capturar o sinal de leitura. Enquanto a percepção do quantum como um conjunto superavançado de tecnologias cria a impressão de que componentes avançados de RF são necessários, esses sistemas estão operando em frequências mmWave moderadas. Por exemplo, um dos sistemas de leitura da Intel está operando a apenas 20 GHz, o que está confortavelmente dentro da faixa operacional de muitos sistemas de RF.

Desafios e Oportunidades

Padronização

Atualmente, toda a eletrônica clássica usada em sistemas de controle para computadores quânticos é feita sob medida a partir de componentes discretos. A integração desses sistemas ajudará na miniaturização, assim como ocorreu nos computadores clássicos ao longo do tempo. A responsabilidade por isso é dividida entre fabricantes de chips, designers de eletrônicos e integradores de sistemas quânticos. É improvável que os fabricantes de chips avancem tão cedo, colocando o ônus sobre os projetistas de sistemas para integrar sistemas de controle e leitura.

Para comercializar essas tecnologias e trazer novos produtos ao mercado, elas devem ser interoperáveis com a eletrônica convencional e entre si, algo que está sendo ativamente perseguido. Tornar os computadores quânticos interoperáveis, mais poderosos (isso é mais do que apenas contagem de qubits) e miniaturizados também requer uma abordagem modular, algo que será possibilitado por uma maior padronização. Organizações como o Quantum Economic Development Consortium (divulgação completa: sou ex-membro de seu comitê de desenvolvimento da força de trabalho) estão se concentrando no desenvolvimento desses padrões para ajudar a uma maior comercialização.

Uma maior padronização dos componentes ajudará mais designers a se envolverem no desenvolvimento de novos sistemas para suportar a computação quântica. À medida que mais componentes e sistemas quânticos se tornam padronizados e comercializados, eles serão mais perfeitamente integrados a sistemas eletrônicos maiores. Atualmente, os computadores clássicos são usados para sistemas de controle e leitura, bem como para conectar computadores quânticos à nuvem.

Crescimento real do mercado

Quanto ao crescimento do mercado nos próximos anos, as projeções de tamanho do mercado variam de US$ 830 milhões a US$ 5 bilhões até 2024, e estamos no caminho certo para atingir essa meta. Wall Street começou a tomar nota, e alguns nomes conhecidos da computação quântica foram tornados públicos por meio de fusões bilionárias da SPAC em 2021. Ainda não se sabe se essa tecnologia é exagerada ou se entregará a próxima onda de inovação tecnológica massiva, mas os designers provavelmente verão alguns dos primeiros sistemas quânticos e ferramentas de desenvolvimento disponíveis comercialmente se tornarem disponíveis muito em breve.

À medida que componentes e sistemas de computadores quânticos se tornam comercializados, a Octopart estará aqui para dar recursos de gerenciamento da cadeia de suprimentos aos designers. Não importa o tipo de sistema ou subsistema que você esteja projetando para suportar computadores quânticos, o mecanismo de pesquisa do Octopart inclui recursos avançados de filtragem para ajudá-lo a selecionar exatamente os componentes de que precisa. Dê uma olhada em nossa página de circuitos integrados para iniciar a busca por seus componentes ideais.

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