Poderia uma tecnologia de nicho da década de 1980 ser a chave para um computador quântico melhor?

Há muito o que amar na década de 1980, desde a nova onda do heavy metal britânico até o rico blush roxo preferido pelos maquiadores da época. Mas em meio ao cabelo, ao barulho e ao brilho estava uma estrela negligenciada: circuitos supercondutores. Em 1980, a gigante da computação IBM apostava nesta tecnologia para construir computadores revolucionáriamente eficientes. Em maio do mesmo ano, em uma popular revista científica científico americano Um circuito supercondutor também está conectado à tampa.

Mas a revolução nunca aconteceu. Os chips de computador supercondutores pareciam estar seguindo o mesmo caminho que os permanentes e as calças com pregas. No entanto, uma empresa continuou sua pesquisa. Visitei recentemente a sede da SEEQC e suas instalações de fabricação de chips quânticos no norte do estado de Nova York. A fábrica surgiu em parte do programa de computação supercondutor fechado da IBM. Lá, aprendi sobre as esperanças da empresa de que os chips supercondutores desempenhem um papel em uma nova revolução tecnológica, desta vez nos computadores quânticos.

Dentro das instalações de fabricação da SEEQC, você estará cercado por grandes máquinas e técnicos usando equipamentos de proteção de corpo inteiro. Em algumas dessas salas limpas, camadas ultrafinas do metal supercondutor nióbio são repetidamente e cuidadosamente depositadas em camadas de material dielétrico, formando delicadas estruturas semelhantes a sanduíches. Noutros exemplos, os dispositivos litográficos utilizam luz para escrever circuitos complexos nestas estruturas, onde cada pequena trincheira ou sulco se torna crítica para os processos quânticos que os fazem funcionar. Todo o chão vibra com barulho e tudo é banhado por luz amarela, que é considerada menos perturbadora para o processo de fabricação de chips do que outras cores. Enquanto conversávamos na sala de conferências adjacente, o diretor executivo da SEEQC John Levy entregou-me uma versão do chip supercondutor da empresa e fiquei impressionado ao ver como ele era discretamente pequeno e quadrado para um dispositivo que visava mudar uma indústria já futurista.

o problema que temos que resolver

Os supercondutores transmitem eletricidade com eficiência perfeita, o que os torna significativamente diferentes de todos os materiais que normalmente usamos na eletrônica. Quando você conecta o telefone para carregar, o cabo e o carregador geralmente aquecem, reduzindo a energia necessária para o telefone. Isso aconteceu tão amplamente que em 2017 cientistas da computação escrito por Michael Frank“Os computadores tradicionais são essencialmente aquecedores elétricos caros que realizam uma pequena quantidade de cálculos como efeito colateral.”

Computadores com componentes supercondutores não apresentam esse problema. Mas há um problema. Todos os supercondutores conhecidos só funcionam quando mantidos em temperaturas extremamente baixas ou sob pressão extrema. Isso significa que os computadores supercondutores devem ser mantidos sempre a uma temperatura vários graus acima do zero absoluto. Historicamente, isso tem se mostrado muito caro e inconveniente. A IBM encerrou seus esforços de pesquisa em computação supercondutora em 1983. Os computadores tradicionais que emitem calor venceram, mas, ironicamente, os custos de energia da computação apenas aumentaram e agora estão disparando, em grande parte devido ao boom da IA.

No entanto, algumas décadas depois, os supercondutores voltaram ao centro das atenções. Em 1999, uma equipe de pesquisadores japoneses feito O primeiro qubit supercondutor (qubit) é o bloco de construção mais fundamental de um computador quântico. Foi uma proposta radicalmente diferente daquela que os investigadores tentaram uma década antes. Em vez de replicar a computação habitualmente utilizada com materiais supercondutores, abriram a porta a um tipo inteiramente novo de computação, utilizando dispositivos que processam informação através de mecanismos que simplesmente não existem nos computadores tradicionais.

A computação quântica percorreu um longo caminho desde então, e os qubits supercondutores desempenharam um papel nesse progresso. O Google e a IBM estão usando-os para alimentar alguns dos computadores quânticos mais poderosos da atualidade, e esses dispositivos estão começando a resolver problemas cientificamente interessantes com sucesso promissor. Várias demonstrações de “supremacia quântica” sobre os computadores clássicos são incontroversas, sublinhando a promessa de que estas máquinas serão fundamentalmente diferentes dos computadores construídos anteriormente.

Ao mesmo tempo, os computadores quânticos ainda não cumpriram a sua promessa disruptiva. Não quebrará códigos amplamente utilizados, descobrirá novas soluções mágicas ou revolucionará a química industrial, apenas para citar alguns. O caminho para alcançar estes objectivos continua cheio de desafios técnicos e obstáculos de engenharia.

Talvez parte da resposta remonte à década de 1980? Levy certamente pensa assim. Ele disse que sua equipe está construindo chips supercondutores digitais que permitirão que os computadores quânticos se tornem maiores, mais poderosos e mais resistentes a erros ao mesmo tempo. Do outro lado do corredor, pesquisadores estão testando chips em todos os tipos de refrigeradores tubulares. Ele me disse que eles pretendem não apenas adicionar mais uma ferramenta ou mais um componente, mas substituir muitos dos componentes que atualmente tornam os computadores quânticos tão ineficientes.

O núcleo de um computador quântico supercondutor consiste em um chip cheio de qubits supercondutores e um refrigerador no qual o chip deve ser armazenado para funcionar. Do lado de fora, você verá uma única caixa retangular e lisa, geralmente da altura de uma pessoa. Mas isso não é tudo. Os Qubits precisam ser controlados e monitorados, as informações precisam ser inseridas em um computador tradicional e os resultados dos cálculos também precisam ser lidos. Além disso, os qubits são frágeis e propensos a erros, exigindo a implementação de algoritmos de correção de erros que exigem controle sofisticado para monitorar e ajustar muitos qubits ao mesmo tempo em tempo real. Portanto, os componentes não quânticos de um computador quântico são muito importantes para o seu funcionamento, ocupando muito espaço e consumindo muita energia. Atrás da geladeira alta que abriga os qubits geralmente há vários armários altos idênticos cheios de racks de dispositivos tradicionais que desperdiçam energia. E existem inúmeros cabos conectando as partes quânticas e não quânticas do computador.

Adicionar mais qubits para tornar um computador mais poderoso requer mais cabos. “Fisicamente, você não pode continuar adicionando cabos para sempre”, diz ele. Shu Zhen HanDiretor de Tecnologia da SEEQC. Não só o espaço na geladeira é um problema, mas cada cabo introduz algum calor, o que atrapalha o qubit e prejudica seu desempenho. A forma como os qubits são conectados, controlados, conectados e empacotados pode parecer um aspecto central da tecnologia com o qual apenas engenheiros e especialistas deveriam se preocupar, mas é uma das questões que impedem o amadurecimento dos computadores quânticos.

O chip SEEQC que eu tinha foi capaz de resolver grande parte desse problema.

Parece exatamente como você imaginaria um chip de computador: pequeno, plano, com um retângulo de metal colocado em cima de um retângulo um pouco maior. Levy explica que o pequeno retângulo contém qubits supercondutores, e o retângulo maior é um chip de computação convencional feito de material supercondutor que permite o controle digital desses qubits. Como ambos são supercondutores, eles podem ser colocados na mesma geladeira, eliminando a necessidade de muitos dos dispositivos em temperatura ambiente dos quais os computadores quânticos dependem atualmente.

Não introduzir calor extra no refrigerador é um benefício óbvio, mas o consumo de energia do chip de controle supercondutor também é significativamente reduzido. SEEQC prevê que os computadores quânticos poderiam ser um bilhão de vezes mais eficientes em termos energéticos. A Iniciativa de Energia Quântica estima que alguns projetos de computadores quânticos grandes e livres de erros exigirão mais energia do que os supercomputadores convencionais existentes (supercomputadores gigantes que ocupam uma sala inteira), e grande parte desse consumo de energia pode vir de componentes de computação clássicos.

Como os dois chips (o chip quântico que realiza a computação e o chip clássico que a controla) podem ser aproximados, há menos atraso no envio de instruções aos qubits e na leitura dos resultados e na correção de erros. Levy também disse que, como os sinais do chip são digitais, os qubits que ele controla deveriam ter menos “crosstalk” e interações não intencionais que os tornam mais propensos a erros.

Em 2025, falei com David DiVincenzo. Há cerca de 20 anos, ele propôs sete condições para a construção de um computador quântico prático, e os pesquisadores ainda as seguem. Ele disse que quando você imagina um computador quântico útil e poderoso, é um dispositivo de um milhão de qubits que compõe uma sala inteira cheia de máquinas, mais parecido com um colisor de partículas do que com um laptop ou rack de data center. A equipe do SEEQC está trabalhando para evitar esse grande futuro. Para todos os fãs de computação, pensem no Mac em vez do ENIAC.

A equipe do SEEQC está atualmente testando o chip em várias configurações usando qubits feitos por seus próprios pesquisadores e por outros fabricantes de computadores quânticos. Levy disse que os primeiros testes mostraram um bom desempenho geral, o que demonstra a versatilidade do chip. Ao mesmo tempo, todos os testes são limitados a um pequeno número de qubits, normalmente menos de 10, o que é várias ordens de magnitude menor do que os futuros computadores quânticos práticos que a empresa espera habilitar.

Problemas de física também surgem. Os supercondutores tendem a ser preenchidos com pequenos vórtices quânticos quando campos magnéticos, como aqueles usados ​​para sintonizar qubits, estão próximos. Oleg MukhanovO diretor científico da SEEQC me contou sobre um método que a empresa inventou para lidar com esse problema, onde os vórtices são varridos por outro campo eletromagnético. Para encurtar a história, fui transportado de volta no tempo, para quando estava na pós-graduação e tendo aulas de física de supercondutividade. Mesmo a tecnologia mais futurista não consegue escapar aos caprichos dos efeitos quânticos fundamentais.

O circuito supercondutor subirá e me empurrará ainda mais para trás? Pode ser um bom momento para os anos 80 voltarem ao mundo quântico, mas espero que as ombreiras permaneçam.