A tecnologia quântica está indo rapidamente além dos experimentos laboratoriais controlados e chegando ao uso prático. De acordo com um novo artigo publicado na Science, o campo atingiu um momento crítico que reflete o início da era da computação clássica, antes da invenção do transistor e da remodelação da tecnologia moderna.
O artigo foi escrito por pesquisadores da Universidade de Chicago, Universidade de Stanford, Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Universidade de Innsbruck na Áustria e Universidade de Tecnologia de Delft na Holanda. Ele examina o estado atual do hardware de informação quântica e destaca as principais oportunidades e obstáculos envolvidos na 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 David Auschalom, Professor de Engenharia Molecular e Física da Família Liu na Universidade de Chicago e diretor do Chicago Quantum Exchange e do Chicago Quantum Institute. “Os conceitos básicos da física estão estabelecidos, os sistemas funcionais existem e agora devemos nutrir as parcerias e os esforços coordenados necessários para alcançar o potencial total da tecnologia em escala de utilidade. Como podemos enfrentar os desafios das arquiteturas quânticas escalonáveis e 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 aplicações iniciais em comunicações, 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 microeletrónica a amadurecer no século XX.
Comparando as plataformas de hardware quântico atuais
O estudo analisa 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, simulação, rede e detecção, os pesquisadores usaram modelos de IA em grandes linguagens como ChatGPT e Gemini para estimar os níveis de prontidão tecnológica (TRLs).
Os TRLs medem o grau de maturidade de uma tecnologia usando uma escala de 1 (princípios fundamentais vistos em um ambiente de laboratório) a 9 (comprovados em um ambiente operacional). Um TRL mais elevado não significa que uma 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 possam já funcionar como sistemas completos e serem acessíveis através de plataformas de nuvem pública, o seu desempenho global permanece limitado. Muitas aplicações de alto impacto, incluindo simulações de química quântica em larga escala, podem exigir milhões de qubits físicos com taxas de erro muito mais altas do que as tecnologias atuais podem suportar.
Por que o contexto de preparação tecnológica é necessário
Avaliar a prontidão sem uma perspectiva histórica pode ser enganoso, explica 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 TLR-9 para aquela época, eles podiam fazer muito pouco em comparação com os circuitos integrados avançados de hoje”, disse ele. “Da mesma forma, um TRL elevado para a tecnologia quântica hoje não indica que o objetivo final foi alcançado, nem indica que a ciência foi feita e apenas a engenharia permanece. Em vez disso, indica que uma demonstração significativa, mas relativamente modesta, em nível de sistema foi alcançada – uma demonstração que ainda deve ser suficientemente avançada e dimensionada para concretizar toda a promessa.”
Dimensionando desafios 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 simulações quânticas, os qubits fotônicos tiveram a melhor classificação para 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 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. À medida que os sistemas progridem em direção a milhões de qubits, simplesmente adicionar mais fiação torna-se impraticável. (Um problema semelhante foi encontrado na década de 1960 por engenheiros de computação, conhecido como tirania dos números.) O gerenciamento de energia, o controle de temperatura, a calibração automática e a coordenação em nível de sistema apresentam desafios adicionais que aumentarão à medida que os sistemas quânticos se tornarem mais complexos.
O artigo traça paralelos com o longo cronograma de desenvolvimento 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 pode seguir um caminho semelhante. Eles enfatizam a necessidade de um projeto de sistema de cima para baixo, de colaboração científica aberta que evite refutações precoces e de expectativas realistas.
“A paciência tem sido um ingrediente chave em muitos desenvolvimentos inovadores”, escrevem eles, “e as expectativas do cronograma na tecnologia quântica apontam para a importância da adulteração”.
