Chip Majorana 1 da Microsoft abre um novo caminho para a computação quântica.
Ele aproveita o primeiro topocondutor do mundo, um tipo inovador de material que pode observar e controlar partículas do 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 possibilitou os smartphones, computadores e eletrônicos de hoje, os topocondutores e esse novo tipo de chip permitem oferecer um caminho para desenvolver sistemas quânticos que podem escalar para um milhão de qubits e são capazes de enfrentar os problemas industriais e sociais mais complexos, de acordo com a Microsoft.
“Nós demos um passo atrás e dissemos: ‘OK, vamos inventar o transistor para a era quântica. Que 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, em última análise, toda a nossa arquitetura.”
Essa nova arquitetura usada para desenvolver o processador Majorana 1 oferece um caminho claro para acomodar um milhão de qubits em um único chip que cabe na palma da mão, de acordo com a Microsoft. Esse é um limiar necessário para que os computadores quânticos forneçam soluções transformadoras e reais – como decompor microplásticos em subprodutos inofensivos ou inventar materiais autorreparáveis para construção, manufatura ou saúde. 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.
“Qualquer coisa 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 em que pode resolver os problemas realmente importantes que nos motivam”, disse Nayak. “Nós realmente trabalhamos em 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 gás, mas um estado topológico. Isso é aproveitado para produzir um qubit mais estável, que é rápido, pequeno e pode ser controlado digitalmente, sem os compromissos exigidos pelas alternativas atuais. Um novo artigo publicado na quarta-feira pelo portal Nature descreve como os pesquisadores da Microsoft foram capazes de criar as propriedades quânticas exóticas do qubit topológico e medi-las com precisão, um passo essencial para a computação prática.
Essa descoberta exigiu o desenvolvimento de uma nova pilha de materiais feita de arseneto de índio e alumínio, grande parte dos quais a Microsoft projetou e fabricou átomo por átomo. O objetivo era induzir a existência de novas partículas quânticas chamadas Majoranas e aproveitar suas propriedades únicas para alcançar o próximo horizonte da computação quântica, afirma a Microsoft.
O primeiro Núcleo Topológico do mundo que alimenta o Majorana 1 é confiável por seu design, incorporando resistência a erros no nível de hardware, tornando-o mais estável.
Aplicações comercialmente importantes também exigirão trilhões de operações em um milhão de qubits, o que seria proibitivo com as abordagens atuais que dependem do controle analógico fino de cada qubit. A nova abordagem de medição da equipe da Microsoft permite que os qubits sejam controlados digitalmente, redefinindo e simplificando vastamente como a computação quântica funciona.
Esse progresso valida a escolha da Microsoft, feita 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 frutos. Hoje, a empresa colocou oito qubits topológicos em um chip projetado para escalar para um milhão.
“Desde o início, queríamos fazer um computador quântico de 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 Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, dos Estados Unidos), uma agência federal que investe em tecnologias inovadoras 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 ser possível.
A Microsoft agora é 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 Iniciativa de Benchmarking Quântico da DARPA – que visa entregar o primeiro computador quântico tolerante a falhas em escala utilitária da indústria, ou seja, um cuja utilidade computacional excede seus custos.
‘Ele simplesmente te dá a resposta’ Além de fabricar seu próprio hardware quântico, a Microsoft fez parceria 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 da indústria.
Esses tipos de máquinas oferecem oportunidades importantes para desenvolver habilidades quânticas, construir aplicações híbridas e impulsionar novas descobertas, especialmente à medida que a IA é combinada com novos sistemas quânticos que serão alimentados por um maior número de qubits confiáveis. Hoje, o Azure Quantum oferece um conjunto de soluções integradas que permitem aos clientes aproveitar essas plataformas líderes de IA, computação de alto desempenho e quântica no Azure para avançar na descoberta científica.
Mas alcançar o próximo horizonte da computação quântica exigirá uma arquitetura quântica que possa fornecer um milhão de qubits ou mais e alcançar trilhões de operações rápidas e confiáveis. O anúncio de hoje coloca esse horizonte em anos, não décadas, afirma a Microsoft.
Porque podem usar a mecânica quântica para mapear matematicamente como a natureza se comporta com uma precisão incrível – desde reações químicas até interações moleculares e energias de enzimas – máquinas com um milhão de qubits devem ser capazes de resolver certos tipos de problemas em química, ciência dos materiais e outras indústrias que são impossíveis para os computadores clássicos a calcular com precisão.
Por exemplo, elas poderiam ajudar a resolver a difícil questão química de por que os materiais sofrem corrosão ou rachaduras. Isso poderia levar a materiais autorreparáveis que consertam rachaduras em pontes ou peças de aviões, telas de telefones quebradas ou portas de carros arranhadas.
Como existem muitos tipos de plásticos, atualmente não é possível encontrar um catalisador único que possa quebrá-los – especialmente importante para limpar microplásticos ou combater a poluição por carbono. A computação quântica poderia calcular as propriedades de tais catalisadores para decompor poluentes em subprodutos valiosos ou desenvolver alternativas não tóxicas desde o início.
Enzimas, um tipo de catalisador biológico, poderiam ser aproveitadas de forma mais eficaz na saúde e na agricultura, graças a cálculos precisos sobre seu comportamento que apenas a computação quântica pode fornecer. Isso poderia levar a avanços que ajudariam a erradicar a fome global: aumentando a fertilidade do solo para aumentar a produção ou promovendo o crescimento sustentável de alimentos em climas adversos.
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 saúde 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 adivinhações ou anos de tentativa e erro.
“Qualquer empresa que faça qualquer coisa poderia simplesmente projetá-la perfeitamente na primeira vez. Ele simplesmente daria a resposta”, disse Troyer. O computador quântico ensina a IA a linguagem da natureza para que a IA possa simplesmente te 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 usam atualmente.
Qubits podem ser criados de diferentes maneiras, cada uma com vantagens e desvantagens. Os qubits são instáveis e altamente suscetíveis a perturbações e erros que vêm do seu ambiente, o que os faz se desintegrar e a informação se perder. Seu estado também pode ser afetado pela medição – um problema porque medir é essencial para a computação. Um desafio inerente é desenvolver um qubit que possa ser medido e controlado, enquanto oferece proteção contra o ruído ambiental que os corrompe. Os qubits podem ser criados de diferentes maneiras, cada uma com vantagens e desvantagens.
Há quase 20 anos, a Microsoft decidiu seguir uma abordagem única: desenvolver qubits topológicos, que acreditava ofereceriam qubits mais estáveis, exigindo menos correção de erros, desbloqueando assim vantagens de velocidade, tamanho e controlabilidade. A abordagem apresentou uma curva de aprendizado acentuada, exigindo avanços científicos e de engenharia inexplorados, mas também o caminho mais promissor para criar qubits escaláveis e controláveis capazes de realizar trabalhos comercialmente valiosos.
A desvantagem é – ou era – que até recentemente as partículas exóticas que a Microsoft procurava 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 associado é a razão pela qual a maioria dos esforços quânticos se concentrou em outros tipos de qubits.
O artigo na Nature marca a confirmação revisada por pares de que a Microsoft não só conseguiu criar partículas Majorana, que ajudam a proteger a informação quântica de perturbações aleatórias, mas também pode medir essa informação de forma confiável usando micro-ondas.
As Majoranas escondem a informação quântica, tornando-a mais robusta, mas também mais difícil 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 elétron 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 acender um interruptor de luz, em vez de ajustar finamente os controles 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 do seu tamanho. Mesmo para algo tão pequeno, existe uma zona onde um qubit muito pequeno é difícil de conectar linhas de controle, mas um qubit muito grande requer uma máquina enorme, de acordo com 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”.
Majorana 1, o chip quântico da Microsoft que contém tanto qubits quanto eletrônicos de controle ao redor, pode ser segurado na palma da mão e se encaixa perfeitamente em um computador quântico que pode ser facilmente implantado dentro dos datacenters do Azure.
“É uma coisa descobrir um novo estado da matéria”, disse Nayak. ‘É outra coisa aproveitar isso para repensar a computação quântica em escala.”
Projetando materiais quânticos átomo por átomo
A arquitetura de qubit topológico da Microsoft possui nanofios de alumínio unidos para formar um H. Cada H tem quatro Majoranas controláveis e forma um qubit. Esses Hs também podem ser conectados e dispostos no chip como tantos ladrilhos.
“É complexo no sentido de que tivemos que mostrar um novo estado da matéria para chegar lá, mas depois disso, é bastante simples. Ele se espalha. 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 a 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, disse ela.
Continuar a refinar esses processos e fazer com que todos os elementos funcionem juntos em uma escala acelerada exigirá mais anos de trabalho de engenharia. Mas muitos desafios científicos e de engenharia difíceis já foram superados, de acordo com a Microsoft.
Conseguir acertar os materiais 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 arseneto de índio, um material atualmente usado em aplicações como detectores de infravermelho e que possui propriedades especiais. O semicondutor é combinado com a supercondutividade, graças ao frio extremo, para criar um híbrido.
“Estamos literalmente pulverizando átomo por átomo. Esses materiais precisam se alinhar perfeitamente. Se houver muitos defeitos na pilha de material, isso simplesmente mata o seu qubit,” disse Svore.
“Ironicamente, é por isso também que precisamos de um computador quântico – 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.