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A curiosa contribuição do silício ao avanço da computação quântica

A tecnologia usada na fabricação de chips de computadores clássicos pode ajudar no desenvolvimento de máquinas de alta capacidade de processamento

A tecnologia usada na fabricação de chips de computadores clássicos pode ajudar no desenvolvimento de máquinas de alta capacidade de processamento

 

Leandro Steiw

 

A computação quântica é apontada como potencial sucessora das máquinas baseadas no chip de silício, que está perto de atingir o seu limite de processamento e miniaturização. Em meados de junho, no entanto, a Intel anunciou o fornecimento de um processador construído em silício para universidades dos Estados Unidos que pesquisam o computador quântico. Contradição? Nem um pouco.

Professor da disciplina Introduction to Quantum Computing, dos cursos de Ciência da Computação e Engenharia de Computação do Insper, o professor Luciano Silva explica que a grande sacada da Intel foi mostrar que a tecnologia usada atualmente na fabricação de chips clássicos de silício pode resolver algumas das questões que atrasam o desenvolvimento comercial de computadores quânticos.

A computação clássica, das máquinas que usamos no dia a dia, utiliza o código binário, no qual um dado é representado pelo bit 0 ou 1. Na computação quântica, um qubit ou bit quântico representa duas informações, podendo ser 0 e 1 simultaneamente. É a chamada superposição, obtida por meio do emaranhamento de partículas, um tema tão fascinante que rendeu o Prêmio Nobel de Física aos pesquisadores John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger, em 2022.

No mundo quântico, há várias alternativas possíveis para se chegar à superposição de informações, diz Silva. A IBM usa a supercondutividade dos metais, normalmente o nióbio, a baixíssimas temperaturas. O Google experimenta a computação adiabática, baseada nas máquinas desenvolvidas pela D-Wave. A proposta da Microsoft é investigar os férmions de Majorana, partículas fundamentais da matéria, e a relação entre partículas e antipartículas. Por sua vez, algumas pequenas empresas trabalham com os pontos quânticos (quantum dots), justamente a base da tecnologia da Intel.

Pontos quânticos são partículas de semicondutores com dimensões da ordem de nanômetros, a milionésima parte do milímetro, e podem ser feitos com diversos materiais. “A grande sacada é que a Intel conseguiu fazer isso com uma máscara de óxido de silício, uma tecnologia que a empresa já domina na produção dos microprocessadores convencionais”, afirma o professor.

A ideia básica do ponto quântico é armazenar um íon de cada vez — um elétron, por exemplo. No caso da Intel, a camada de silício funciona como armadilha de íon (ion trap), prendendo essa partícula e controlando o seu spin. Simplificando ao extremo, o spin define a rotação do elétron, um estado essencial para a computação quântica. “Se dois pontos quânticos desses são unidos, forma-se o qubit”, diz Silva. “Esse processador novo faz justamente isto: nessa máscara de óxido de silício, prende-se um elétron em cada ponto e, juntando-se dois desses pontos, forma-se o qubit. E aí começa toda a brincadeira.”

Segundo Silva, a vantagem é que esses pontos quânticos ocupam pouquíssimo espaço. “Isso vai permitir, no futuro, a fabricação de processadores quânticos com uma quantidade de qubits muito maior”, diz. “Mas a principal vantagem desse chip é trabalhar em temperatura ambiente, um dos grandes problemas de outras máquinas quânticas, como a da IBM, que não pode ser instalada em qualquer lugar. Ela tem que estar em um ambiente refrigerado, com criogenia, para que as propriedades de supercondutividade apareçam.”

 

Produção em série

A boa notícia do experimento recente da Intel está na capacidade de ampliação de armazenamento e processamento. O chip oferecido às universidades americanas ainda é modesto. Tem 12 qubits, bem distante dos 433 qubits do mais poderoso processador da IBM ou dos almejados 1.024 qubits da IonQ. Mas a Intel tem um parque fabril e um conhecimento consolidado na tecnologia com camada de silício, o que deve ajudar nos avanços da computação quântica e, futuramente, na produção em série de máquinas que não sejam acessadas exclusivamente via nuvem.

No bit clássico, armazena-se uma informação de cada vez, ou 0 ou 1. Com 12 qubits, armazena-se 2 elevado a 12 informações, ou seja, 4.096 dados simultaneamente. O dobro de qubits, ou seja, 2 elevado a 24, leva a capacidade para cerca de 16 milhões de informações simultâneas. A superposição de 0 e 1 permite processar uma grande quantidade de informações com um número pequenos de bits quânticos.

Como nada é perfeito, esses chips também não resolveram o problema comum a outros processadores quânticos testados pela indústria: a computação tolerante a falhas. “Por causa das próprias leis da mecânica quântica, uma matéria muito estatística, ainda temos muitos erros na computação quântica”, diz Silva. “Erro mesmo. Quando se está computando um dado, de repente acontece uma coisa exótica e obtém-se um resultado errado.”

Para os estudantes da disciplina Introduction to Quantum Computing, as promessas da era quântica não são novidade. Nos cursos de Engenharia de Computação e Ciência da Computação, pratica-se com máquinas virtuais e reais de computação quântica. Uma das atividades, por exemplo, é construir algoritmos na máquina quântica da IBM, acessível por meio de navegadores da internet.

 

 

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