Construdo um qubit flip-flop, controlado eletricamente como um bit comum

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/02/2023

Qubit flip-flop

Um novo design radical para os qubits dos computadores qunticos, idealizado em 2017 pelo brasileiro Guilherme Tosi e colegas da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrlia, acaba de virar realidade.

O novo qubit permite a fabricao de processadores qunticos em larga escala, integrados na forma de chips, de forma muito mais barata e mais fcil do que se pensava ser possvel – e tudo usando uma plataforma base de silcio.

Em termos gerais, estes novos qubits podem ser colocados a centenas de nanmetros de distncia uns dos outros e, ainda assim, permanecerem acoplados uns aos outros pelo fenmeno quntico do entrelaamento.

Isso no apenas mais fcil em termos de engenharia de produo, como tambm deixa o espao necessrio para a colocao dos eletrodos e dos demais componentes sem interferir com o frgil estado dos qubits, que os faz perder os dados com muita facilidade.

Qubit flip-flop

Um dos circuitos lgicos mais simples, e fundamental para toda a eletrnica, conhecido como circuito flip-flop: O nome uma onomatopeia do som que sai em um alto-falante conectado sada desse tipo de circuito.

Fundamentalmente, no campo da eletrnica e dos circuitos digitais, um flip-flop – seu nome tcnico multivibrador biestvel – um circuito digital que funciona como uma memria de um bit. Para isso, ele tipicamente inclui um valor zero, um ou dois sinais de entrada, um sinal de relgio e um sinal de sada. Em termos simples, ele permite chavear entre um “0” e um “1” do bit com muita facilidade e velocidade.

Agora, os fsicos australianos conseguiram construir na prtica o “flip-flop quntico” idealizado teoricamente por Tosi. um circuito que permite que o valor do qubit seja alternado rapidamente por uma corrente eltrica, exatamente como o flip-flop eletrnico.

Na verdade, pode-se dizer que se trata de um novo tipo de bit quntico, um “qubit flip-flop”, que combina as propriedades qunticas dos tomos individuais com a facilidade do controle por sinais eltricos, exatamente como aqueles usados nos chips de computador comuns.

Tanto eltrons quanto tomos aprisionados funcionam como qubits, mas control-los exige campos magnticos oscilantes que so complicados de construir e operar. Fazer isso com uma corrente eltrica muito mais fcil, simples e rpido, alm de ser fcil de escalonar, ou seja, colocar mais qubits no mesmo chip.

“Este novo qubit chamado de ‘flip-flop’ porque feito de dois spins pertencentes ao mesmo tomo – o eltron e o spin nuclear – com a condio de que sempre apontem em direes opostas,” explicou o pesquisador Rostyslav Savytskyy. “Por exemplo, se o estado ‘0’ for ‘eltron para baixo/ncleo para cima’ e o estado ‘1’ for ‘eltron para cima/ncleo para baixo’, mudar de ‘0’ para ‘1’ significa que o eltron ‘vira’ para cima e o ncleo ‘cai’ para baixo. Da o nome.”

Qubit com controle eltrico

Os primeiros testes confirmaram que o deslocamento do eltron em relao ao ncleo permite programar estados qunticos arbitrrios no qubit flip-flop.

“Mais importante ainda, esse deslocamento dos eltrons obtido simplesmente pela aplicao de uma voltagem a um pequeno eletrodo metlico, em vez de irradiar o chip com um campo magntico oscilante. um mtodo que se assemelha muito mais ao tipo de sinal eltrico normalmente roteado dentro dos chips de silcio dos computadores convencionais, como os que usamos todos os dias em nossos computadores e smartphones,” disse Tim Botzem, que construiu o qubit flip-flop.

E o controle eltrico do qubit flip-flop vem acompanhado por um efeito colateral muito importante: Quando uma carga negativa (o eltron) deslocada de uma carga positiva (o ncleo), forma-se um dipolo eltrico. Colocar dois (ou mais) dipolos eltricos prximos uns dos outros d origem a um forte acoplamento eltrico entre eles, o que pode mediar operaes lgicas qunticas multi-qubit, do tipo necessrio para realizar clculos qunticos teis.

“A maneira padro de acoplar qubits de spin em silcio colocando os eltrons to prximos uns dos outros que eles efetivamente ‘se tocam’. Isso requer que os qubits sejam colocados em uma grade de algumas dezenas de nanmetros. Os desafios de engenharia para fazer isso so bastante severos,” disse o Prof. Andrea Morello. “Em contraste, os dipolos eltricos no precisam ‘se tocar’, eles se influenciam mutuamente distncia. Nossa teoria indica que 200 nanmetros a distncia ideal para operaes qunticas rpidas e de alta fidelidade.”

E 200 nanmetros longe o suficiente para permitir a insero dos diversos componentes de controle e de leitura dos qubits, tornando mais fcil construir o processador quntico.

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