A tecnologia quântica está avançando rapidamente além dos experimentos laboratoriais controlados e entrando no domínio prático do uso. De acordo com um novo trabalho publicado na Science, o campo atingiu uma fase crítica que reflete o início da era da computação clássica antes da invenção do transistor, que transformou a tecnologia moderna.
O artigo foi escrito por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade de Stanford, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, e da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. Ele analisa o estado da arte do hardware de informação quântica e destaca as principais oportunidades e obstáculos para a construção de computadores quânticos, redes de comunicação e sistemas de detecção escaláveis.
“Este momento transformador na tecnologia quântica lembra os primeiros dias do transistor”, disse o autor principal David Aushalom, professor de Engenharia Molecular e Física da Família Liew na Universidade de Chicago e diretor do Chicago Quantum Exchange e do Chicago Quantum Institute. “Os conceitos físicos fundamentais estão em vigor, os sistemas funcionais estão em vigor, e agora devemos desenvolver as parcerias e os esforços coordenados necessários para alcançar todo o potencial da escala útil da tecnologia. Como resolveremos os desafios da escalabilidade e das arquiteturas quânticas modulares?”
Desde experimentos de laboratório até o uso inicial no mundo real
Nos últimos dez anos, as tecnologias quânticas progrediram de experiências de prova de conceito para sistemas capazes de suportar as primeiras aplicações em comunicação, detecção e computação. Os autores atribuem este rápido progresso à estreita colaboração entre universidades, agências governamentais e indústria, a mesma combinação de parcerias que ajudou a desenvolver a microeletrônica no século XX.
Comparação das plataformas de hardware Quantum atuais
A pesquisa examina seis principais plataformas de hardware quântico: qubits supercondutores, íons aprisionados, defeitos de spin, pontos quânticos semicondutores, átomos neutros e qubits fotônicos ópticos. Para comparar o quanto cada plataforma avançou em computação, modelagem, redes e detecção, os pesquisadores usaram grandes modelos de linguagem de inteligência artificial, como ChatGPT e Gemini, para avaliar os níveis de prontidão tecnológica (TRLs).
Os TRLs medem o quão avançada é a tecnologia utilizando uma escala de 1 (princípios básicos observados num ambiente de laboratório) a 9 (comprovados num ambiente de trabalho). Um TRL mais elevado não significa necessariamente que a tecnologia esteja próxima de ser amplamente utilizada, mas sim que demonstrou uma funcionalidade de sistema mais completa.
A análise fornece um instantâneo de onde o campo está hoje. Embora alguns protótipos avançados já possam funcionar como sistemas completos e estejam disponíveis através de plataformas de nuvem pública, o seu desempenho global permanece limitado. Muitas aplicações de alto desempenho, incluindo simulações em larga escala de química quântica, podem exigir milhões de qubits físicos com taxas de erro bem superiores às que a tecnologia atual pode suportar.
Por que a prontidão tecnológica requer contexto
Avaliar a prontidão sem perspectiva histórica pode ser enganoso, explicou o coautor William D. Oliver, Henry Ellis Warren (1894) Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, professor de física e diretor do Centro de Engenharia Quântica do MIT.
“Embora os chips semicondutores da década de 1970 fossem os TLR-9 da época, eles podiam fazer muito pouco em comparação com os circuitos integrados avançados de hoje”, disse ele. “Da mesma forma, um TRL elevado para tecnologias quânticas hoje não indica que o objetivo final foi alcançado, nem indica que a ciência foi feita e apenas a engenharia permanece. Em vez disso, reflete uma demonstração significativa, mas relativamente modesta, a nível de sistema, que foi alcançada – uma demonstração que ainda precisa ser significativamente melhorada e dimensionada para cumprir toda a sua promessa.”
Escalando problemas e lições da história da computação
Entre as plataformas estudadas, os qubits supercondutores tiveram a pontuação mais alta para a computação quântica, os átomos neutros conduziram as simulações quânticas, os qubits fotônicos tiveram a pontuação mais alta para as redes quânticas e os defeitos de spin tiveram o melhor desempenho para a detecção quântica.
Os autores identificam vários obstáculos importantes que devem ser superados para que os sistemas quânticos possam escalar de forma eficaz. Avanços na ciência e na fabricação de materiais são necessários para produzir dispositivos consistentes e de alta qualidade que possam ser fabricados de forma confiável e em escala. A fiação e a entrega de sinais continuam sendo grandes desafios de engenharia, já que a maioria das plataformas ainda depende de linhas de controle separadas para cada qubit. A simples adição de mais fios torna-se impraticável à medida que os sistemas escalam para milhões de qubits. (Os engenheiros da computação na década de 1960 enfrentaram problemas semelhantes, conhecidos como tirania dos números.) O gerenciamento de energia, o controle de temperatura, a calibração automatizada e a coordenação em nível de sistema apresentam desafios adicionais que crescerão à medida que os sistemas quânticos se tornarem mais complexos.
O documento traça paralelos com o desenvolvimento de longo prazo da eletrônica clássica. Muitos avanços transformadores, incluindo técnicas de litografia e novos materiais de transistores, levaram anos ou mesmo décadas para passar dos laboratórios de pesquisa para a produção industrial. Os autores argumentam que a tecnologia quântica provavelmente seguirá um caminho semelhante. Eles enfatizam a necessidade de um design de sistema de cima para baixo, de uma colaboração científica aberta que evite a fragmentação precoce e de expectativas realistas.
“A paciência tem sido um elemento-chave em muitos desenvolvimentos marcantes”, escrevem eles, “e aponta para a importância de relaxar as expectativas do cronograma nas tecnologias quânticas”.
