Um novo chip da Microsoft pode levar a computadores quânticos mais estáveis

A Microsoft anunciou hoje que fez progressos significativos na sua busca de 20 anos para fabricar bits quânticos topológicos, ou qubits — uma abordagem especial para construir computadores quânticos que poderá torná-los mais estáveis e mais fáceis de escalar.

Investigadores e empresas têm trabalhado há anos para construir computadores quânticos, os quais poderão desbloquear novas e dramáticas capacidades para simular materiais complexos e descobrir novos, entre muitas outras aplicações possíveis.

Para atingir esse potencial, contudo, precisamos de construir sistemas grandes o suficiente que sejam estáveis para realizar cálculos. Muitas das tecnologias exploradas atualmente, como os qubits supercondutores perseguidos pelo Google e pela IBM, são tão delicadas que os sistemas resultantes necessitam de muitos qubits extras para corrigir erros.

A Microsoft tem trabalhado há muito tempo numa alternativa que pode reduzir essa sobrecarga utilizando componentes muito mais estáveis. Esses componentes, chamados de quasipartículas Majorana, não são partículas reais. Em vez disso, são padrões especiais de comportamento que podem surgir em determinados sistemas físicos e sob certas condições.

A busca não tem sido isenta de contratempos, incluindo a retratação de um artigo de alto perfil por investigadores associados à empresa em 2018. No entanto, a equipa da Microsoft, que desde então internalizou esse esforço de investigação, afirma que está agora no caminho para construir um computador quântico tolerante a falhas contendo alguns milhares de qubits em questão de anos e que possui um projeto para fabricar chips com cerca de um milhão de qubits cada, um objetivo aproximado que pode ser o ponto em que esses computadores realmente comecem a mostrar o seu poder.

A empresa anunciou alguns sucessos iniciais nesse caminho: aproveitando um artigo publicado na Nature, que descreve uma validação fundamental do sistema, a empresa afirma que tem testado um qubit topológico e que conectou um chip contendo oito deles.
— “Não se chega a um milhão de qubits sem muito sangue, suor e lágrimas, e sem resolver muitos desafios técnicos realmente difíceis ao longo do caminho. E eu não quero subestimar nada disso”, diz Chetan Nayak, membro técnico da Microsoft e líder da equipa pioneira nessa abordagem. Dito isto, ele afirma: “Acredito que temos um caminho no qual realmente acreditamos, e vemos uma linha de visão.”

Investigadores externos à empresa estão cautelosamente otimistas. “Estou muito satisfeito que [essa investigação] pareça ter alcançado um marco muito importante”, diz o cientista da computação Scott Aaronson, que lidera o Quantum Information Center da Universidade do Texas em Austin. “Espero que isso se consolide, e que seja desenvolvido ainda mais.”

Par e ímpar

O primeiro passo para construir um computador quântico é criar qubits que possam existir em estados quânticos frágeis — não 0s e 1s, como os bits dos computadores clássicos, mas sim uma mistura dos dois. Manter os qubits nesses estados e conectá-los entre si é um trabalho delicado, e ao longo dos anos uma quantidade significativa de investigação foi dedicada ao refinamento dos esquemas de correção de erros para compensar o hardware ruidoso.

Durante muitos anos, tanto teóricos como experimentalistas têm-se mostrado intrigados pela ideia de criar qubits topológicos, os quais são construídos por meio de torções e voltas matemáticas e possuem proteção contra erros essencialmente incorporada na sua física. “Tem sido uma ideia tão atraente para as pessoas desde o início dos anos 2000”, diz Aaronson. “O único problema é que isso requer, de certa forma, a criação de um novo estado da matéria que nunca foi visto na natureza.”

A Microsoft tem procurado sintetizar esse estado, chamado férmion de Majorana, na forma de quasipartículas. O Majorana foi proposto pela primeira vez há quase 90 anos como uma partícula que é a sua própria antipartícula, o que significa que dois Majoranas se aniquilarão quando se encontrarem. Com as condições e configuração física adequadas, a empresa espera obter um comportamento que corresponda ao do férmion de Majorana dentro dos materiais.

Nos últimos anos, a abordagem da Microsoft tem-se concentrado em criar um fio muito fino, ou “nanofio”, a partir de arseneto de índio, um semicondutor. Esse material é colocado em estreita proximidade com o alumínio, que se torna supercondutor próximo ao zero absoluto e pode ser usado para induzir supercondutividade no nanofio.

Normalmente, é improvável encontrar eletrões não emparelhados a circular num supercondutor — os eletrões tendem a emparelhar-se. Mas, sob as condições certas no nanofio, é teoricamente possível que um eletrão se oculte, com cada metade a posicionar-se numa extremidade do fio. Se essas entidades complexas, chamadas modos zero de Majorana, puderem ser coaxadas à existência, serão difíceis de destruir, tornando-se intrinsecamente estáveis.

“Agora pode ver a vantagem”, diz Sankar Das Sarma, físico teórico da Universidade de Maryland que realizou os primeiros trabalhos sobre esse conceito. “Não se pode destruir meio eletrão, certo? Se tentar destruir meio eletrão, isso significa que apenas meio eletrão restará. Isso não é permitido.”

Em 2023, a equipa da Microsoft publicou um artigo na revista Physical Review B afirmando que esse sistema havia passado por um protocolo específico projetado para avaliar a presença de modos zero de Majorana. Na Nature, os investigadores relataram que conseguem “ler” as informações nesses nanofios — especificamente, se há modos zero de Majorana ocultos nas extremidades dos fios. Se houver, isso significa que o fio possui um eletrão extra, não emparelhado.

“O que fizemos no artigo da Nature foi mostrar como medir a paridade — ou seja, se há um número par ou ímpar de eletrões”, diz Nayak. “Para conseguir dizer se há 10 milhões ou 10 milhões e um eletrões num desses fios.” Esse é um passo importante por si só, pois a empresa pretende usar esses dois estados — um número par ou ímpar de eletrões no nanofio — como os 0s e 1s nos seus qubits.

Se essas quasipartículas existirem, deverá ser possível “entrelaçar” os quatro modos zero de Majorana num par de nanofios, fazendo medições específicas numa ordem determinada. O resultado seria um qubit com uma mistura desses dois estados, par e ímpar. Nayak afirma que a equipa já fez exatamente isso, criando um sistema quântico de dois níveis, e que está atualmente a elaborar um artigo com os resultados.

Investigadores fora da empresa dizem que não podem comentar os resultados dos qubits, já que esse artigo ainda não está disponível. Contudo, alguns têm declarações esperançosas sobre os achados publicados até ao momento. “Acho isso muito encorajador”, diz Travis Humble, diretor do Quantum Science Center no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. “Ainda não é suficiente para afirmar que eles criaram qubits topológicos. Ainda há mais trabalho a ser feito”, ressalta. Mas “este é um bom primeiro passo para validar o tipo de proteção que eles esperam criar.”

Outros são mais céticos. O físico Henry Legg, da Universidade de St Andrews, na Escócia, que anteriormente criticou a Physical Review B por publicar o artigo de 2023 sem dados suficientes para que os resultados fossem reproduzidos de forma independente, não está convencido de que a equipa esteja a observar evidências de modos zero de Majorana no seu artigo na Nature. Ele afirma que os testes iniciais da empresa não o colocaram numa base sólida para fazer tais afirmações. “O otimismo definitivamente está presente, mas a ciência não está”, diz ele.

Uma complicação potencial são as impurezas no dispositivo, que podem criar condições que se assemelham a partículas Majorana. Mas Nayak afirma que as evidências só se fortaleceram à medida que a investigação avançava. “Isso dá-nos confiança: estamos a manipular dispositivos sofisticados e a ver resultados consistentes com uma interpretação Majorana”, diz ele.

“Eles satisfizeram muitas das condições necessárias para um qubit Majorana, mas ainda há algumas caixas a serem marcadas”, disse Das Sarma após ver os resultados preliminares do qubit. “O progresso tem sido impressionante e concreto.”

Escalando

Aparentemente, os esforços topológicos da Microsoft parecem lamentavelmente atrasados no mundo da Computação Quântica — a empresa está apenas agora a trabalhar para combinar qubits em números de um dígito, enquanto outros já agruparam mais de 1.000. Mas tanto Nayak como Das Sarma afirmam que outros esforços tiveram uma vantagem significativa porque envolviam sistemas que já tinham uma base sólida na física. O trabalho com o qubit topológico, por outro lado, significou começar do zero.

“Realmente estávamos a reinventar a roda”, diz Nayak, comparando os esforços da equipa aos primeiros dias dos semicondutores, quando havia muito a descobrir sobre o comportamento dos eletrões e dos materiais, e transístores e circuitos integrados ainda precisavam de ser inventados. É por isso que esse caminho de investigação tem durado quase 20 anos, diz ele: “É o programa de P&D mais longo da história da Microsoft.”

Algum apoio da Defense Advanced Research Projects Agency dos EUA pode ajudar a empresa a alcançar o mesmo nível. A Microsoft foi selecionada como uma das duas empresas para continuar o trabalho no design de um sistema ampliado, por meio de um programa focado em abordagens pouco exploradas que podem levar a computadores quânticos em escala de utilidade — aqueles cujos benefícios superam os seus custos. A outra empresa selecionada é a PsiQuantum, uma startup que tem como objetivo construir um computador quântico contendo até um milhão de qubits usando fotões.

Muitos dos investigadores com quem a MIT Technology Review conversou ainda gostariam de ver como esse trabalho se desenrola em publicações científicas, mas estão esperançosos. “A maior desvantagem do qubit topológico é que ele ainda é meio que um problema de física”, diz Das Sarma. “Se tudo o que a Microsoft está a afirmar hoje estiver correto… então talvez, neste exato momento, a física esteja a chegar ao fim, e a engenharia possa começar.”

Esta história foi atualizada com a atual afiliação institucional de Henry Legg.