Criado um diodo supercondutor, considerado impossível há um século

 

Impressão artística de um processador supercondutor, que agora passa a ser possível.
[Imagem: TU Delft]

 

Pesquisadores dos Países Baixos descobriram um material que apresenta supercondutividade unidirecional sem a presença de campos magnéticos, algo que se pensava ser impossível desde a descoberta do fenômeno da condução sem resistência, em 1911.

Longe de ser uma curiosidade de laboratório, a supercondução de mão única é essencial para usar os supercondutores na computação, do mesmo modo que usamos hoje os semicondutores - um dos elementos fundamentais dos componentes eletrônicos é o diodo semicondutor, que permite que a corrente elétrica flua apenas num sentido.

Nos supercondutores, uma corrente elétrica flui pelo material sem qualquer resistência, o que significa que é virtualmente impossível inibir ou bloquear essa corrente - quanto mais fazer a corrente fluir apenas em um sentido, e não no outro.

Nos anos 1970, cientistas da IBM trabalharam na ideia da computação supercondutora, mas tiveram que colocar um fim aos seus esforços pela falta de resultados. Em seus artigos justificando a decisão, a IBM menciona que, sem supercondutividade não-recíproca, ou seja, que flua apenas num sentido, é impossível construir um computador usando supercondutores.

Heng Wu e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Delft conseguiram agora construir um diodo supercondutor, no qual a eletricidade flui unidirecionalmente, usando brometo de nióbio (Nb₃Br₈), um material bidimensional, com apenas uma camada atômica, como o grafeno.

A equipe trabalhou com uma junção Josephson, um sanduíche no qual duas fatias de material supercondutor são separadas por uma camada muito fina de material isolante. O truque consistiu na substituição do material isolante pelo brometo de nióbio, que é considerado um ‘material quântico’, neste caso apresentando um dipolo elétrico líquido.

“Muitas tecnologias são baseadas em versões antigas de junções Josephson supercondutoras, por exemplo, a tecnologia de ressonância magnética. Além disso, a computação quântica hoje é baseada em junções Josephson. A tecnologia que antes só era possível usando semicondutores agora pode ser feita com supercondutores usando este bloco fundamental.

“Isso inclui computadores mais rápidos, como em computadores com velocidade de até terahertz, o que é 300 a 400 vezes mais rápido do que os computadores que estamos usando agora. Isso influenciará todos os tipos de aplicações sociais e tecnológicas. Se o século 20 foi o século dos semicondutores, o século 21 pode se tornar o século dos supercondutores,” disse o professor Mazhar Ali, coordenador da equipe.

 

Bibliografia:

Artigo: The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure

Autores: Heng Wu, Yaojia Wang, Yuanfeng Xu, Pranava K. Sivakumar, Chris Pasco, Ulderico Filippozzi, Stuart S. P. Parkin, Yu-Jia Zeng, Tyrel McQueen, Mazhar N. Ali

Revista: Nature

Vol.: 604, pages 653-656

DOI: 10.1038/s41586-022-04504-8

 

 

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=diodo-supercondutor&id=010115220504

  

Google apresenta processador quântico de 72 qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/03/2018

À esquerda, o protótipo do Bristlecone. À direita, um esquema do processador onde cada X representa um qubit, com as conexões aos qubits mais próximos. [Imagem: Google Labs]

Engenheiros do Quantum AI Lab, o laboratório do Google responsável pelas pesquisas em computação quântica e outras tecnologias avançadas, apresentaram seu mais novo processador quântico. O processador, batizado de Bristlecone, tem 72 qubits do tipo supercondutor.

A empresa afirma que o objetivo deste protótipo é funcionar como plataforma de testes para melhorar as taxas de correção de erros, um dos grandes desafios da computação quântica, e a escalabilidade, ou seja, a engenharia necessária para ir acrescentando bits quânticos adicionais.

Na verdade, o Bristlecone já é um escalonamento de uma versão anterior de 9 qubits. Essa versão anterior apresentou taxas de erro consideradas baixas: 1% na leitura dos valores gravados, 0,1% na confiabilidade das portas de um qubit e, mais importante em termos práticos, 0,6% nas portas de dois qubits.

O consenso entre os pesquisadores da área é que a chamada "supremacia quântica", o ponto a partir do qual os processadores quânticos podem superar os processadores eletrônicos clássicos, será alcançada com um processador quântico de pelo menos 49 qubits que apresente uma taxa de erro máxima de 0,5%.

Como servirá como plataforma de testes, a empresa ainda não anunciou as taxas de erro do Bristlecone. De qualquer forma, a opção por aumentar largamente o número de qubits, sem se limitar aos 49 qubits que a teoria aponta como fronteira para a supremacia quântica, como fez a Intel recentemente, dá aos projetistas um campo mais amplo para experimentações e testes.

“Nós escolhemos um dispositivo deste tamanho para podermos demonstrar a supremacia quântica no futuro, para investigar a correção de erros de primeira e segunda ordens usando código de superfície, e para facilitar o desenvolvimento de algoritmos quânticos em um hardware real,” anunciou o Google.

Código de superfície é uma técnica de programação de processadores quânticos que usa códigos estabilizadores compostos de qubits dispostos em duas dimensões, reduzindo significativamente as taxas de erro. Uma técnica alternativa, embora similar, é o chamado código de cores.

“Pode-se pensar, por analogia, no código de superfície como um guardanapo com duas partes ásperas e duas lisas, e o código de cores como se dobrássemos esse guardanapo ao longo de sua diagonal. Como no guardanapo dobrado existem coisas novas que agora estão próximas, é possível fazer mais portas lógicas 'transversalmente'. Isso é bom porque evita a propagação de erros e é relativamente fácil. No entanto, o código de cor precisa de mais qubits para interagir em cada estabilizador, o que acaba levando a um limiar de ruído mais baixo. Assim, pode-se dizer que, embora muito similares, cada código tem suas vantagens e desvantagens,” explicou o professor Fernando Pastawski, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Relação teórica entre a taxa de correção de erros e o número de qubits. A área em vermelho destaca o objetivo da equipe do Google. [Imagem: Google Labs]

“Queremos alcançar um desempenho semelhante às melhores taxas de erro do processador de 9 qubits, mas agora em todos os 72 qubits do Bristlecone. Acreditamos que o Bristlecone pode então se tornar uma prova de princípio convincente para a construção de computadores quânticos em grande escala. Operar um dispositivo como o Bristlecone com baixas taxas de erro requer uma harmonia entre uma porção de tecnologias, do software e da eletrônica de controle ao próprio processador. Fazer isso direito requer uma engenharia de sistemas cuidadosa em várias iterações. Estamos cautelosamente otimistas de que a supremacia quântica pode ser alcançada com o Bristlecone,” disse a equipe do Google em nota.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=google-processador-quantico-72-qubits&id=010150180307&ebol=sim#.WruUXojwaDI

Primeiro supercondutor topológico usa partículas de Majorana como qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/03/2018

As placas de alumínio foram anexadas ao isolador topológico usando platina. A imagem mostra um dos dispositivos usados no experimento. Devido ao estresse, induzido por vários resfriamentos, apareceram saliências vistas claramente no intervalo do dispositivo. Isto faz com que as características dos pares supercondutores de elétrons variem em diferentes direções, uma assinatura de supercondutividade não-convencional. [Imagem: Chalmers University]

Os férmions de Majorana nem bem saíram da teoria e já começam a ajudar a computação quântica a combater um dos seus principais problemas: a decoerência, que é a perda dos dados que ocorre quando a interferência externa faz com que os qubits decaiam de seus estados quânticos entrelaçados ou superpostos.

Com sua insensibilidade característica à decoerência, essas partículas de Majorana estão se tornando o centro das atenções para a construção de qubits estáveis - a Microsoft está tentando desenvolver esse tipo de computador quântico.

As partículas de Majorana são partículas fundamentais que, assim como os elétrons, nêutrons e prótons, pertencem ao grupo dos férmions. Elas podem ser entendidas de forma muito simplificada como um “meio elétron”. E, ao contrário de todos os outros férmions, os férmions de Majorana são sua própria antipartícula.

O problema é que eles só ocorrem em circunstâncias muito especiais, o que explica porque, mesmo previstos por Ettore Majorana em 1937, só foram demonstrados na prática em 2012.

Agora, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, conseguiram fabricar um componente capaz de hospedar as partículas de Majorana, o que significa que torna-se possível usá-las na prática.

Nos materiais de estado sólido, os férmions de Majorana só parecem ocorrer nos chamados supercondutores topológicos - um tipo de supercondutor que é tão novo e especial que pode-se dizer que não haviam provas inequívocas de que ele existisse de verdade.

Sophie Charpentier e seus colegas estão entre os primeiros grupos de pesquisa no mundo a divulgar resultados experimentais indicando que eles realmente conseguiram fabricar um supercondutor topológico.

A equipe começou trabalhando com um isolante topológico - que não é supercondutor - feito de telureto de bismuto (Be₂Te₃). Um isolante topológico é basicamente um isolador, ou seja, não conduz corrente elétrica em seu interior - contudo, ele conduz a corrente na sua superfície.

O segredo do supercondutor topológico está na camada na junção dos materiais. [Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]

Sobre o isolante topológico, a equipe usou platina para adicionar uma camada de um supercondutor convencional por cima, neste caso o alumínio, que conduz a corrente totalmente sem resistência a temperaturas muito baixas.

Enquanto fazia testes e medições, a equipe precisou resfriar o material várias vezes e esses ciclos de resfriamento repetidos parecem ter gerado tensões no material, o que fez com que a supercondutividade alterasse suas propriedades.

“Os pares de elétrons supercondutores passaram a vazar para o isolante topológico, que também se torna supercondutor,” explicou o professor Thilo Bauch. E esse comportamento representa a característica típica de um supercondutor topológico, onde os férmions de Majorana sentem-se à vontade para não se destruírem mutuamente.

“Para aplicações práticas, o material é principalmente de interesse para aqueles que estão tentando construir um computador quântico topológico. Nós queremos explorar a nova física que se esconde nos supercondutores topológicos - este é um novo capítulo da física,” disse a professora Floriana Lombardi, coordenadora da equipe.

Bibliografia
Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Nature Communications. Vol.: 8, Article number: 2019. DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=primeiro-supercondutor-topologico-fermions-majorana-qubits-nao-perdem-dados&id=010110180305&ebol=sim

Intel apresenta processador quântico com 49 qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/01/2018

Processadores quânticos da Intel: com 7, 17 e, agora, à direita, com 49 qubits supercondutores. [Imagem: Walden Kirsch/Intel]

A Intel apresentou um processador quântico de 49 qubits, acertando em cheio o limite teórico que vem colocando entraves para os computadores e simuladores quânticos.

O processador foi batizado de Tangle, em homenagem a um lago de mesmo nome no Alasca e uma referência à temperatura criogênica que os qubits supercondutores precisam para funcionar.

Como existem vários desafios para a miniaturização dos qubits supercondutores, a Intel anunciou também que está fazendo progressos nos qubits de spin, nos quais as informações são guardadas na direção de rotação de elétrons individuais, um campo onde computação quântica e spintrônica se confundem.

Os qubits spintrônicos se parecem com um transístor que opera com um único elétron, sendo similares em vários aspectos aos transistores convencionais. Isso significa que eles podem ser miniaturizados usando a tecnologia tradicional da microeletrônica e serem fabricados por processos comparáveis. A Intel anunciou que já desenvolveu um fluxo de fabricação de qubits de spin usando sua tecnologia de processo de 300 mm.

Infelizmente, a empresa não deu quaisquer detalhes sobre o desempenho do seu processador com qubits supercondutores e nem adiantou com quantos qubits de spin seus engenheiros estão trabalhando. Sem informações, analistas da indústria acreditam ser seguro dizer que outros participantes dessa corrida pela computação quântica, como IBM e Google, estão à frente.

A gigante dos processadores eletrônicos, às voltas com um bug que deverá lhe custar milhões de dólares na Justiça, achou melhor desconversar: “Acreditamos que serão necessários de cinco a sete anos antes que a indústria consiga lidar com os problemas de engenharia e provavelmente será necessário um milhão ou mais qubits para obter relevância comercial,” disse Mike Mayberry, diretor do Intel Labs.

Segundo a empresa, um processador quântico de teste de 49 qubits é um marco importante porque permitirá avaliar e melhorar as técnicas de correção de erros e simular problemas computacionais reais.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=intel-apresenta-processador-quantico-49-qubits&id=010150180122#.Wmth1qinGyI

Processador supercondutor mais próximo da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/08/2017

Fluxons

       Anote na sua agenda a nova quasipartícula que está se habilitando para impulsionar um salto qualitativo na informática: os fluxons.

       Inicialmente conhecidos como vórtices de Abrikosov (Alexei Abrikosov 1928-2017), os fluxons são quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores quando eles são submetidos a um campo magnético. Curiosamente, o campo magnético destrói a supercondutividade naquele ponto, com o fluxon emergindo da circulação de uma pequena corrente elétrica induzida pelo magnetismo.

       Em outras palavras, o fluxon pode ser entendido como um quantum de campo magnético.

       Agora, uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria, demonstrou que esses objetos quantizados são particularmente adequados para armazenamento e processamento de dados, bastando que eles sejam organizados da forma correta.

       Para isso, a equipe criou uma espécie de “caixa de ovos quântica”, onde cada buraco acomoda um fluxon de forma estável e regular, criando uma matriz com centenas de milhares de fluxons, prontos para servirem de base para a computação ou para o armazenamento de bits.

       Isto representa o coroamento de um longo esforço rumo à criação de circuitos digitais em supercondutores - além da velocidade e da elevada densidade de dados, um processador supercondutor virtualmente elimina os problemas de aquecimento dos processadores atuais, permitindo dar um salto em termos de velocidade de processamento.

Estrutura (em cima) e microfotografia (embaixo) da armadilha de fluxons. [Imagem: G. Zechner et al. - 10.1103/PhysRevApplied.8.014021]

Em um supercondutor perfeitamente homogêneo, os fluxons emergem na forma de uma rede hexagonal. Mas essa estrutura em equilíbrio não serve para muita coisa. Com a nova armadilha artificial, torna-se possível organizar as quasipartículas em qualquer formação que se desejar, colocando-as em um arranjo fora do equilíbrio, adequado para codificar e processar informações.

       Georg Zechner e seus colegas criaram uma matriz de 180.000 fluxons. Dependendo do campo magnético externo, eles mudam de organização de uma forma que só é possível em se tratando de objetos quânticos: ao contrário dos ovos, onde cada depressão da caixa pode conter apenas um, na matriz cada armadilha pode ficar vazia, ter um fluxon ou ter vários fluxons - um caminho para o uso da nanoestrutura também pela computação quântica.

       “Mesmo após dias nós observamos precisamente o mesmo arranjo de fluxons - uma estabilidade de longo prazo que é particularmente surpreendente para um sistema quântico,” disse Zechner.

       A equipe agora planeja fabricar nanoestruturas mais sofisticadas, que permitirão a transferência sistemática de fluxons de uma armadilha para a outra. Este deverá ser outro passo pioneiro rumo ao desenvolvimento de circuitos de computador baseados em quasipartículas e materiais supercondutores.

Bibliografia: Hysteretic Vortex-Matching Effects in High-Tc Superconductors with Nanoscale Periodic Pinning Landscapes Fabricated by He Ion-Beam Projection. G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig. Physical Review Applied. Vol.: 8, 014021. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fluxons-abrem-caminho-processador-supercondutor&id=010110170808&ebol=sim

Físicos manipulam vórtices de Abrikosov

Os vórtices distribuídos aleatoriamente na amostra supercondutora (esquerda) foram reposicionados em um padrão formando as letras “AV”, que significa ‘Abrikosov vórtices’ (à direita). Crédito: Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT)

Um grupo de nanofotônica liderado pelo Prof. Brahim Lounis da Universidade de Bordeaux, incluindo cientistas do MIPT, realizou uma experiência única envolvendo a manipulação óptica de vórtices individuais de Abrikosov em um supercondutor. No artigo publicado na Nature Communications, os cientistas mencionam a possibilidade de projetar novas unidades lógicas baseadas em princípios quânticos para uso em supercomputadores.

Quando um material transita para o estado supercondutor, os campos de fluxo magnético são expulsos do seu volume. Um supercondutor tem todas as linhas de campo magnético ejetadas do seu interior ou permite a penetração parcial do campo magnético. O fenômeno da penetração parcial foi explicado em 1957 por Alexei Abrikosov, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2003. Um material que não exibe uma expulsão completa do campo magnético é referido como um supercondutor tipo II. Abrikosov também demonstrou que esses supercondutores só podem ser penetrados por unidades de fluxo magnético discreto, um quantum de fluxo magnético de cada vez. Como o campo dentro de um supercondutor cresce mais forte, dá origem aos loops de corrente cilíndrica conhecidos como vórtices Abrikosov.

“Os supercondutores dtipo II são usados ​​em várias aplicações, desde a medicina até a energia e outras indústrias, e suas propriedades são determinadas pela ‘matéria de vórtice’, o que torna a pesquisa de vórtices e encontrar maneiras de manipulá-los muito importantes para a física moderna”, diz Ivan Veshchunov, um dos autores do estudo e pesquisador do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Sistemas Supercondutores do MIPT.

Para manipular os vórtices de Abrikosov, os cientistas usaram um feixe de laser focalizado. Este tipo de controle óptico de vórtice é possível pela tendência dos vórtices serem atraídos para as regiões de temperatura mais elevada num supercondutor (neste caso, um filme de nióbio resfriado a -268ºC). Os hotspots (‘pontos quentes’) necessários podem ser criados pelo aquecimento do material com um laser. No entanto, é crucial definir a potência correta do laser, uma vez que o aquecimento do material destrói suas propriedades supercondutoras.

Como os vórtices atuam como quanta de fluxo magnético, eles podem ser usados ​​para moldar o perfil de fluxo magnético geral, permitindo que os físicos realizem várias experiências com supercondutores. Enquanto uma rede de vórtices triangular ocorre naturalmente em certos campos magnéticos, outros tipos de redes (e dispositivos como lentes de vórtice) podem ser criados movendo vórtices ao redor.

O método de manipulação de vórtices no estudo pode ser usado na computação quântica para o desenvolvimento de elementos lógicos quânticos de fluxo único (RSFQ), controlados opticamente. Esta tecnologia é vista como promissora para o projeto de memória super-rápida para computadores quânticos. Os elementos lógicos baseados em RSFQ já são usados ​​em conversores digital-analógico e analógico-digital, magnetômetros de alta precisão e células de memória. Vários protótipos de computadores baseados nessa tecnologia foram desenvolvidos, incluindo o FLUX-1 projetado por uma equipe de engenheiros dos EUA. No entanto, os elementos lógicos RSFQ nestes computadores são em grande parte controlados por impulsos elétricos. A lógica controlada opticamente é uma tendência emergente nos sistemas supercondutores.

As experiências realizadas pelos cientistas poderiam ser aplicadas em pesquisas futuras sobre os vórtices de Abrikosov. Os físicos ainda têm de investigar os detalhes de como o aumento da temperatura age para ‘soltar’ os vórtices de seus locais e colocá-los em movimento. Mais pesquisas sobre a dinâmica de vórtices em estruturas de Abrikosov provavelmente seguirão. Esta linha de pesquisa é fundamental para a compreensão da física dos supercondutores, bem como para avaliar as perspectivas de novos tipos de componentes de microeletrônica.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-11-physicists-abrikosov-vortices.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12801

Tecnologias Quânticas: Soquete para conectar processadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2016

 O soquete permite conectar inúmeros bits quânticos supercondutores, viabilizando a construção de processadores grandes. [Imagem: University of Waterloo]

Conector de qubits

Uma equipe internacional, trabalhando na Universidade de Waterloo, no Canadá, desenvolveu uma nova técnica de fiação capaz de conectar e controlar bits quânticos supercondutores, uma das técnicas de computação quântica em estágio mais avançado de desenvolvimento.

O dispositivo de conexão representa um passo importante para a construção de módulos de processamento e armazenamento que possam ser interconectados para viabilizar um computador quântico de grande porte, com um número de bits muito maior do que as demonstrações realizadas em laboratório até agora.

“O soquete quântico é um método de fiação que usa fios tridimensionais montados sobre pinos com molas para endereçar qubits individuais,” explicou Jeremy Béjanin, principal responsável pela construção do dispositivo.

“A técnica conecta a eletrônica clássica com os circuitos quânticos, e é extensível muito além dos limites atuais, de um a possivelmente alguns milhares de qubits,” completou Béjanin.

Conexão do quente ao frio

Para controlar (gravar) e medir (ler) os qubits supercondutores, são usados pulsos de micro-ondas. Esses pulsos devem ser enviados, das fontes geradoras dedicadas, até os qubits, por meio de uma rede de cabos adequados. Esses cabos devem fazer a conexão entre a eletrônica de temperatura ambiente de controle e o ambiente frio do criostato onde ficam os bits supercondutores.

O que a equipe realizou foi justamente a construção dessa rede de cabos, uma infraestrutura complexa e considerada até agora uma barreira substancial à ampliação da escala dos processadores quânticos.

Bibliografia:
Three-Dimensional Wiring for Extensible Quantum Computing: The Quantum Socket
Jeremy H. Béjanin, Thomas G. McConkey, John R. Rinehart, Carolyn T. Earnest, Corey Rae H. McRae, Daryoush Shiri, James D. Bateman, Yousef Rohanizadegan, B. Penava, P. Breul, S. Royak, M. Zapatka, A. G. Fowler, Matteo Mariantoni
Physical Review Applied
Vol.: 6, 044010
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.6.044010


Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tecnologias-quanticas-soquete-processadores-quanticos&id=010110161121&ebol=sim#.WDWhheYrKyI

Computação quântica sem qubits usa fótons tirados do nada

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/09/2016

Ilustração artística de três fótons emaranhados tirados do vácuo quântico - eles são usados como substitutos para os qubits. [Imagem: Antti Paraoanu]

Rodopios

Se você ainda não se acostumou à ideia do vácuo quântico e sua capacidade de fazer a matéria surgir do nada, um novo conceito para o uso prático dessa propriedade, de fato muito estranha, pode fazer sua cabeça rodar de vez.

A ideia, que é essencialmente uma abordagem alternativa e muito mais radical para a computação quântica, consiste em usar as partículas que emergem do vácuo quântico para fazer cálculos.

Ou seja, você não errará muito se disser que é uma "computação que emerge do nada", ou, como se trata de uma computação que utiliza fótons virtuais tornados reais, uma computação com "cores que surgem da escuridão".

Produção de fótons a partir do vácuo

Um grupo de físicos da Universidade de Aalto, na Finlândia, demonstrou experimentalmente que os fótons que emergem do vácuo quântico podem ser usados para codificar informações e fazer cálculos, substituindo os qubits por um novo tipo de computação quântica, diferente dos sistemas ópticos mais comumente desenvolvidos até agora.

A equipe usou sensores magnéticos extremamente sensíveis, chamados SQUIDs (sigla em inglês para Dispositivos Supercondutores de Interferência Quântica), para criar um ressonador, um dispositivo que oscila naturalmente em frequências definidas.

Esse ressonador supercondutor foi posto para funcionar a uma temperatura próxima do zero absoluto, quando cessa virtualmente qualquer movimento térmico. Visto de outro modo, este estado corresponde à mais completa escuridão, já que não está presente nenhum fóton - aqui nos referindo a uma partícula real da radiação eletromagnética, como a luz visível ou micro-ondas.

E é aí, nesse estado conhecido como vácuo quântico, que se observam flutuações que trazem à existência fótons virtuais, ou partículas que surgem, se recombinam e desaparecem em períodos de tempo muito curtos.

Esquema do dispositivo usado pela equipe para gerar fótons a partir da escuridão e usá-los para fazer cálculos. [Imagem: Pasi Lahteenmaki et al. - 10.1038/ncomms12548]

Computação sem bits

Os pesquisadores finlandeses conseguiram converter esses fótons virtuais emergindo do vácuo quântico em fótons reais de radiação de micro-ondas, que podem ser produzidos com diferentes frequências, ou cores, usando o ressonador. Em outras palavras, assim como os experimentos anteriores haviam mostrado que o vácuo quântico é mais do que a total ausência de matéria, visto desse modo pode-se dizer que a escuridão também é mais do que a mera ausência de luz.

A grande novidade é que os fótons de micro-ondas já nascem entrelaçados, ou seja, com uma conexão íntima entre eles. E o entrelaçamento é uma das propriedades mais exploradas pela computação quântica.

Como essas correlações entre os fótons podem ser geradas de forma controlada pelo ressonador, o sistema na verdade dispensa os qubits tradicionais, lançando uma nova abordagem para a computação quântica.

“Isso tudo sugere a possibilidade de utilizar as diferentes frequências para a computação quântica. Os fótons de diferentes frequências vão desempenhar um papel semelhante ao dos registradores nos computadores clássicos, e operações de portas lógicas poderão ser realizadas entre eles,” explicou o professor Sorin Paraoanu.

“Utilizando os sinais de micro-ondas multifrequenciais, podemos adotar uma abordagem alternativa [para a computação quântica] que cria portas lógicas como sequências de medições quânticas. Além disso, se usarmos os fótons criados no nosso ressonador, os bits quânticos físicos, ou qubits, tornam-se desnecessários,” acrescentou Pertti Hakonen, outro membro da equipe.

Bibliografia:
Coherence and correlations from vacuum fluctuations in a microwave superconducting cavity. Pasi Lahteenmaki, Gheorghe Sorin Paraoanu, Juha Hassel, Pertti J. Hakonen. Nature Communications, Vol.: 7, Article number: 12548
DOI: 10.1038/ncomms12548

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=computacao-quantica-sem-qubis-fotons-tirados-nada&id=010150160909&ebol=sim

Será que a NSA finalmente construiu seu computador espião? (Will the NSA Finally Build Its Superconducting Spy Computer?)

Hoje, microchips de silício estão presentes em todos os aspectos da computação digital. Mas seu domínio nunca foi uma conclusão óbvia. Ao longo da década de 1950, engenheiros elétricos e outros pesquisadores exploraram muitas alternativas para construir os computadores digitais.

Uma delas instigou a imaginação da Agência Nacional de Segurança (NSA) dos EUA: um supercomputador supercondutor. Tal máquina poderia tirar proveito dos materiais supercondutores que ao serem refrigerados não exibem qualquer resistência elétrica. Essa propriedade extraordinária traz a promessa de computadores que poderiam processar números e códigos mais rápidos do que os sistemas baseados em transistores e consumiria muito menos energia.

     Por seis décadas, a partir de meados de 1950 até hoje, a NSA tem repetidamente perseguido esse sonho, em parceria com pesquisadores industriais e acadêmicos. A agência patrocinou projetos significativos para construir um computador supercondutor. Porém, o esforço foi abandonado em face do ritmo acelerado da Lei de Moore e o aumento surpreendente no desempenho e redução no custo de microchips de silício.

     Agora a Lei de Moore está balbuciando, e os fabricantes de supercomputadores do mundo todo estão enfrentando uma crise energética. Simuladores de armas nucleares, criptógrafos e outros, almejam os supercomputadores em exoescala capazes de rodar 1.000 petaflops - 1 milhão de trilhões de operações de ponto flutuante por segundo - ou mais. O supercomputador mais rápido do mundo está na China e possui capacidade de 34 petaflops e consome cerca de 18 megawatts de energia. Isso é aproximadamente a quantidade de eletricidade usada instantaneamente por 14.000 famílias dos EUA. Projeções variam dependendo do tipo de arquitetura do computador usado, mas uma máquina em exoescala construída com os melhores microchips de silício de hoje, podem requerer centenas de megawatts.

     A busca pela exoescala pode levar ao computador supercondutor. E a IARPA (Intelligence AdvancedResearch Projects Activity), está fazendo o máximo que pode. Com novas formas de lógica e memória supercondutora em desenvolvimento, a IARPA lançou um programa ambicioso para criar as peças fundamentais de um supercomputador supercondutor. Nos próximos anos, o esforço pode mostrar se a tecnologia realmente irá bater o silício.

     O sonho da NSA foi inspirado pelo engenheiro elétrico Dudley Buck. Quando se mudou para o MIT em 1950, Buck permaneceu como um consultor militar, mantendo a Agência de Segurança das Forças Armadas, que rapidamente se tornou a NSA, a par dos novos desenvolvimentos de computação em Cambridge.

Na década de 1950, Dudley Buck imaginou computadores rápidos e eficientes em termos energéticos. Estes o levaram ao seu comutador supercondutor, o criotron.

     Buck logo relatou em seu próprio trabalho uma nova chave supercondutora, ele batizou de criotron. O dispositivo funciona por comutação de um material entre o seu estado normal e o estado supercondutor. Certo número de elementos metálicos supercondutores e ligas chegam a esse estado quando são resfriados abaixo de uma temperatura crítica próxima do zero absoluto. Uma vez que o material se torna supercondutor, um campo magnético suficientemente forte pode trazer o material de volta ao seu estado normal.

     Neste processo, Buck viu um disjuntor digital. Ele enrolou um minúsculo fio "controle" em torno de um fio "porta", e mergulhou o par em hélio líquido. Quando a corrente fluiu através do controle, o campo magnético criou uma porta em seu estado de resistência normal. Quando a corrente de controle foi desligada, a porta tornou-se supercondutora novamente.

     Buck pensou que os criotrons poderiam ser usados para moldar computadores rápidos e energeticamente eficientes. A NSA financiou o seu trabalho em circuitos de memória criotron, bem como um projeto mais amplo sobre circuitos criotron digitais da IBM.

     Engenheiros continuaram o desenvolvimento dos circuitos criotrons na década de 1960, apesar da morte súbita e prematura de Buck em 1959. Mas as baixíssimas temperaturas do hélio líquido e o tempo necessário para os materiais transitarem entre os estados supercondutor-normal limitaram as velocidades de chaveamento. A NSA, eventualmente, cessou o financiamento, e muitos pesquisadores trocaram a eletrônica supercondutora pela do silício.

     Em 1962, o físico britânico Brian Josephson fez uma previsão sobre o tunelamento quântico em supercondutores. No tunelamento, os elétrons passam através de uma barreira isolante, promovidos por um impulso de tensão; o fluxo de elétrons ocorre com alguma resistência. Mas Josephson previu que se a barreira isolante entre dois supercondutores é fina o suficiente, uma supercorrente de elétrons pode fluir por ela sem resistência, como se a barreira não estivesse lá. Isso ficou conhecido como o efeito Josephson, e uma chave baseada no efeito foi obtida.

     Pesquisadores da IBM desenvolveram uma versão dessa opção em meados da década de 1960. A parte ativa do dispositivo era uma linha de supercondutores metálicos, separados por uma fina camada de óxido. A supercorrente tunelava através da barreira, mas só até certo ponto; se a corrente atingisse um dado valor, o dispositivo passava ao estado normal. O limite era ajustado por um campo magnético gerado pelo fluxo de corrente em uma linha de controle supercondutora vizinha. Se o dispositivo operasse perto do limite da corrente, uma pequena corrente no controle poderia mudar o limite. Ao contrário do criotron de Buck, os materiais deste dispositivo sempre se mantinham supercondutores, tornando a chave eletrônica muito mais rápida.

     Em 1973 a IBM estava trabalhando na construção de um supercomputador supercondutor baseado em junções Josephson. A unidade básica de seus circuitos foi um loop supercondutor com junções Josephson, conhecido como ‘dispositivo supercondutor de interferência quântica’, ou SQUID. A NSA cobria uma fração substancial dos custos.

Corrente em um loop supercondutor contendo uma junção Josephson, uma barreira não supercondutora gera um campo magnético com um pequeno valor, quantificado.

O programa do supercomputador supercondutor da IBM funcionou por mais de 10 anos, a um custo de cerca de US$ 250 milhões de dólares. As junções Josephson são principalmente feitas de liga de chumbo e óxido de chumbo. No final do projeto, os engenheiros ligaram a uma barreira de óxido de nióbio, imprensado entre uma liga de chumbo e uma película de nióbio, um arranjo que produziu dispositivos mais confiáveis. Mas enquanto o projeto fazia grandes progressos, os executivos da empresa não estavam convencidos de que um eventual supercomputador baseado na tecnologia poderia competir com os microchips avançados de silício. Em 1983, a IBM encerrou o programa sem nunca ter construído um computador baseado nas junções Josephson.

Image: IBM. Circuitos Josephson de 1970.

     Inspirado no projeto da IBM, o ministério industrial do Japão lançou um esforço do computador supercondutor em 1981. A parceria da pesquisa durou oito anos e produziu um verdadeiro computador que funcionava com junções Josephson. Era uma máquina pequena, de 4 bits, com apenas 1000 bits de RAM, mas poderia até rodar um programa. Porém, o projeto também foi abandonado na mesma perspectiva da IBM.

Foto: AIST. Um computador completo: O ETL-JC1, um computador supercondutor desenvolvido no Japão, incluía quatro chips de circuitos integrados baseados em junções Josephson, para a lógica e para a memória.

     Novos desenvolvimentos surgiram fora destes programas. Em 1983, pesquisadores da Bell Telephone Laboratories construíram junções Josephson de nióbio separadas por finas camadas de óxido de alumínio. Os novos comutadores supercondutores eram extraordinariamente seguros e podiam ser fabricados utilizando um processo simplificado da mesma maneira que os microchips de silício.

     Em 1985, pesquisadores da Universidade Estadual de Moscou propuseram um novo tipo de lógica supercondutora. Originalmente apelidado de resistiva, então renomeada lógica "rápida" de um único fluxo quântico, ou RSFQ (“rapid” single-flux-quantum logic), tirou proveito do fato de que uma junção Josephson pode emitir minúsculos pulsos de tensão. Integrado ao longo do tempo, eles assumem valores quantizados, múltiplos inteiros de um valor minúsculo chamado de fluxo quântico, medido em microvolts.

Imagem: Hypres. Fluxo magnético ejetado de um circuito supercondutor através de uma junção Josephson pode assumir a forma de minúsculos pulsos tensão. A presença ou ausência de um impulso, em um determinado período de tempo, pode ser usado para realizar cálculos.

     Ao usar tais pulsos, cada um com duração de um picossegundo, a RSFQ prometeu aumentar as velocidades para valores superiores a 100 gigahertz. Além disso, uma junção Josephson gasta energia na faixa de apenas um milionésimo de um picojoule, consideravelmente menos do que consumido por transistores de silício.

     As junções Josephson do Bell Labs e a RSFQ da Universidade Estadual de Moscou reacenderam o interesse na eletrônica supercondutora. Em 1997, os EUA lançaram o projeto Hybrid Technology Multi-Threaded (HTMT), que foi apoiado pela NSA e outras agências. O objetivo da HTMT era bater o nível de supercomputação convencional do silício, usando circuitos integrados RSFQ e outras tecnologias.

Foto: Judy Conlon/NASA. O projeto Hybrid Technology Multi-Threaded utilizou uma nova forma de lógica supercondutora chamada RSFQ (“rapid” single-flux-quantum logic). O membro da equipe Dmitry Zinoviev é mostrado segurando uma garrafa de hélio líquido.

     Era um programa ambicioso que enfrentou uma série de desafios. Os próprios circuitos RSFQ limitavam o potencial de eficiência da computação. Para alcançar uma velocidade elevada, a RSFQ usa resistências para proporcionar polarizações elétricas às junções Josephson, a fim de mantê-las perto do limite da comutação. Em um experimento com circuitos RSFQ de vários milhares de junções Josephson polarizáveis, a dissipação de energia estática foi insignificante. Mas em um supercomputador de escala petaflop, possivelmente com muitos bilhões de tais dispositivos, haveria significativo consumo de energia.

     O projeto HTMT terminou em 2000. Oito anos mais tarde, um supercomputador convencional da IBM foi apontado como o primeiro a alcançar o funcionamento em petaflop. Ele continha cerca de 20.000 microprocessadores de silício e consumiu 2,3 ​​megawatts.

     Para muitos pesquisadores que trabalham com a eletrônica supercondutora, o período por volta do ano 2000 marcou uma mudança: a computação quântica. Esta nova direção foi inspirada pelo trabalho do matemático Peter Shor, que sugeriu que um computador quântico pode ser uma poderosa ferramenta criptoanalítica, capaz de decifrar rapidamente comunicações criptografadas. Em seguida, os projetos em computação quântica e circuitos digitais supercondutores estavam sendo patrocinados pela NSA e a DARPA.

     Ninguém sabia como construir um computador quântico, mas muitas pessoas tinham ideias. Na IBM e em outros lugares, engenheiros e cientistas se voltaram para os principais pilares do supercondutor eletrônico, os SQUIDs e as junções Josephson. Um SQUID exibe efeitos quânticos sob operação normal, e foi bastante simples configurá-lo para funcionar como um bit quântico, ou qubit.

     Um dos centros deste trabalho foi o laboratório de ciências físicas da NSA. Construído perto da Universidade de Maryland, o laboratório é um espaço onde a NSA e pesquisadores externos podem colaborar em trabalhos relevantes para a insaciável sede da agência pelo poder da computação.

     No início dos anos de 2010, Marc Manheimer foi chefe da computação quântica no laboratório. Como ele recordou recentemente em uma entrevista, ele viu uma necessidade premente de circuitos digitais convencionais que poderiam cercar fisicamente bits quânticos, a fim de controlá-los e corrigir erros em escalas de tempo muito curtos. A maneira mais fácil de fazer isso, ele pensou, seria com elementos supercondutores, que poderiam operar com níveis de tensão e corrente semelhantes àqueles que controlariam os circuitos contendo qubits. Links ópticos poderiam ser usados para conectar este sistema híbrido com o mundo exterior e a computadores convencionais de silício.

     Manheimer afirma ainda que se tornou ciente do crescente problema do poder de computação do silício de alta performance, bem como os grandes bancos de servidores em centros de dados comerciais. “Quanto mais perto eu olhei para a lógica supercondutora”, diz ele, “ficou claro que tinha valor para a supercomputação”.

     Manheimer propôs um novo ataque direto no supercomputador supercondutor. Inicialmente ele estava cético. “Há uma história de fracasso”, disse ele. Mas, no início de 2013, tinha convencido a IARPA a financiar um programa chamado Cryogenic Computing Complexity (C3).

      A primeira fase do C3 foi a criação e avaliação de circuitos lógicos supercondutores e sistemas de memória, a serem fabricados no MIT Lincoln Laboratory - o mesmo laboratório onde Dudley Buck trabalhou.

     Em 2011, Quentin Herr da Northrop Grumman relatou uma alternativa interessante, uma forma diferente da lógica quântica chamada lógica quântica recíproca. Um circuito RQL consome 1/100.000 da energia do melhor circuito equivalente CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) e muito menos energia do que um circuito RSFQ equivalente.

     Uma lógica de semelhante eficiência energética chamada ERSFQ foi desenvolvida pela fabricante de eletrônicos supercondutores Hypres. A Hypres está trabalhando com a IBM, que continuou o seu trabalho fundamental de dispositivo supercondutor, mesmo depois de cancelar seu projeto de supercomputador.

     A Hypres também está colaborando com uma equipe do C3 liderada pelo laboratório Raytheon BBN Technologies, que tem sido ativo na pesquisa de computação quântica por vários anos. Lá, o físico Thomas Ohki e seus colegas vêm trabalhando em um sistema de memória criogênica que utiliza lógica supercondutora de baixo consumo para controlar, ler, e escrever em alta densidade, na magnetoresistiva RAM. Esse tipo de memória é outra mudança da computação supercondutora. Células de memória RSFQ são muito grandes. Memórias nanomagnéticas mais compactos, originalmente desenvolvidas para ajudar a estender a Lei de Moore, podem funcionar bem em baixas temperaturas.

     O circuito supercondutor mais avançado do mundo usa dispositivos baseados em nióbio. Embora tais dispositivos operem em torno de 4 Kelvin acima do zero absoluto, Manheimer diz que refrigerar é uma questão trivial.

     Uma grande questão tem sido a quantidade de energia necessária para o resfriamento, que eleva o orçamento de um computador supercondutor. Mas os defensores sugerem que não deve ser muito. Eles dizem que “a potência dissipada em um computador supercondutor é tão pequena que permanece 100 vezes mais eficiente do que um computador de silício”.

     O foco agora do C3 está nos componentes fundamentais. Essa primeira fase, que irá até 2017, pretende demonstrar os componentes centrais de um sistema de computador: um conjunto de circuitos lógicos de 64 bits capaz de rodar a uma taxa de 10 GHz e uma rede de memória criogênica com capacidade de 250 megabytes. Se esse esforço for bem sucedido, uma segunda fase de dois anos irá integrar esses componentes em um computador criogênico de tamanho ainda não especificado. Se o protótipo for considerado promissor, Manheimer estima que deve ser possível criar um verdadeiro computador supercondutor em 5 a 10 anos.

     Tal sistema seria muito menor do que os supercomputadores baseados em CMOS e requerem muito menos energia. Manheimer projeta que um supercomputador supercondutor produzido em seguida ao C3 pode rodar a 100 petaflops e consumir 200 quilowatts, incluindo o sistema de refrigeração. Seria 1/20 do tamanho do Titã, atualmente o supercomputador mais rápido nos Estados Unidos, mas oferece mais de cinco vezes o desempenho por 1/40 do consumo.

Fonte: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 23, # 1701610; Marc Manheimer. Performance exige poder. Os supercomputadores mais poderosos de hoje consomem múltiplos megawatts (vermelho), sem incluir o arrefecimento. Computadores supercondutores com sistemas de refrigeração incluídos, são projetados para reduzir drasticamente esses requisitos de energia (azul).

     Um supercomputador com esses recursos, obviamente, representaria um salto enorme. Mas o destino do supercomputador supercondutor depende fortemente do que acontece com o silício. Enquanto um computador em exoescala feito com os atuais chips de silício pode não ser prático, grande esforço e bilhões de dólares estão sendo gastos em continuar a encolher os transistores de silício, bem como no desenvolvimento de ligações ópticas e de empilhamento 3-D. Tais tecnologias podem fazer uma grande diferença. Em julho de 2015, o presidente Barack Obama anunciou a National Strategic Computing Initiative e pediu a criação de um supercomputador em exoescala. O trabalho da IARPA sobre alternativas ao silício é parte dessa iniciativa. Para meados da década de 2020 especula-se que seja construída a primeira máquina em exoescala à base de silício. Se essa meta for cumprida, a chegada de um supercomputador supercondutor provavelmente seria adiada mais uma vez.

     Mas é muito cedo para contar com a computação supercondutora. Em comparação com o enorme investimento contínuo no silício ao longo das décadas, a computação supercondutora teve apoio escasso e intermitente. No entanto, mesmo com esta dieta de subsistência, físicos e engenheiros têm produzido uma sequencia impressionante de avanços. O apoio do programa C3, juntamente com a maior atenção da comunidade de computação, poderia levar a tecnologia adiante de forma significativa. Se tudo correr bem, os computadores supercondutores podem finalmente vir do frio.

Fonte: http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/will-the-nsa-finally-build-its-superconducting-spy-computer