Calor transportado por 1 metro esfria chips a distância

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/02/2016

Ilustração artística do calor quanticamente limitado transportado por longas distâncias usando fótons de micro-ondas. [Imagem: Heikka Valja]

Transporte de calor

Em um avanço marcante em física, pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, conseguiram transportar o calor com eficiência máxima a uma distância 10.000 vezes maior do que a que já havia sido conseguida.

Isso significa que o aparato de dissipação de calor pode ficar distante do local onde o calor é gerado - o dissipador e o exaustor podem ficar longe do processador, por exemplo.

Além disso, a técnica permitirá a utilização de metais comuns juntamente com supercondutores, tudo no mesmo chip, o que dará um novo impulso à construção de processadores quânticos, nos quais o calor é sinônimo de "ruído", que faz os qubits perderem seus dados. E inúmeras outras aplicações são possíveis.

“A longa distância alcançada pelos nossos experimentos pode, por exemplo, levar à construção de motores de calor mesoscópicos de eficiência total, com promissoras aplicações práticas,” disse o professor Mikko Mottonen, cuja equipe já havia tirado proveito de técnicas especiais de resfriamento para criar nós quânticos.

Transmissão de calor a distância

Nos experimentos, o calor foi transmitido com eficiência a uma distância de até 1 metro, uma enormidade para todas as aplicações quânticas e longe o suficiente para permitir aplicações em macroescala.

“Para os processadores de computador, um metro é uma distância extremamente longa. Ninguém pensa em construir um processador tão grande,” disse Mikko Mottonen.

O que é inovador no trabalho é a utilização de fótons - partículas de luz - para transferir calor. Nada exatamente radical, já que são fótons que trazem o calor do Sol para a Terra, mas, até hoje, a tecnologia vinha utilizando elétrons.

“Nós conseguimos esta melhoria de quatro ordens de grandeza na distância utilizando fótons de micro-ondas viajando em linhas de transmissão supercondutoras. Assim, parece que a condução de calor quanticamente limitado não tem distâncias máximas fundamentais. Este trabalho estabelece a integração de componentes de metal normal no quadro do circuito de eletrodinâmica quântica, que está na base do computador quântico supercondutor,” escreveu a equipe.

Bibliografia:
Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances. Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Makela, Tuomo Tanttu, Mikko Mottonen. Nature Physics. Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nphys3642. http://arxiv.org/abs/1510.03981

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=calor-transportado-1-metro-esfria-chips-distancia&id=010110160215

Primeiro bit quântico supercondutor do Reino Unido (UK's first superconducting quantum bit foundry)

Teresa Hoenigl-Decrinis com um sistema avançado de deposição de filmes finos. Acima da esquerda para a direita: várias demonstrações da natureza quântica de um dos qubits.

O professor Oleg Astafiev e sua equipe projetaram, construíram e operaram o primeiro dispositivo de qubit supercondutor do Reino Unido.

       Bits quânticos ou qubits são os blocos básicos para um computador que trabalha de acordo com as regras da física quântica. Capaz de executar programas e tarefas que nossos computadores atuais não podem fazer, os computadores quânticos são o próximo grande passo no futuro da computação.

Dispositivos supercondutores são uma das mais avançadas tecnologias em estudo a nível mundial para implementar os computadores quânticos. As aplicações potenciais destes materiais vão muito além do campo da computação quântica e incluem avanços na medicina e na exploração do espaço.

       O professor Astafiev e sua equipe obtiveram avanços importantes na qualidade de nanofabricação e desenvolveram um dispositivo de vários qubits acoplados a uma linha de transmissão de microondas. As imagens mostram vários aspectos da natureza quântica do dispositivo e a análise detalhada dos dados comprova a elevada qualidade do processo de concepção e fabricação.

       Segundo Astafiev, “Vamos estudar dispositivos mais complexos e os fenômenos mais interessantes em dispositivos quânticos macroscópicos e fotônica de microondas quântica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-05-uk-superconducting-quantum-bit-foundry.html

IBM apresenta um chip de computação quântica (IBM Shows Off a Quantum Computing Chip)

Quando resfriado a uma fração acima do zero absoluto, os quatro elementos escuros no centro do circuito no meio desta imagem podem representar dados digitais usando efeitos da mecânica quântica.

Um novo chip supercondutor desenvolvido pela IBM demonstra um importante passo necessário para o desenvolvimento dos computadores quânticos. Se desenvolvido com sucesso, os computadores quânticos poderiam efetivamente tomar atalhos através de muitos cálculos que são difíceis para os computadores de hoje.

O novo chip da IBM é o primeiro a integrar os dispositivos básicos necessários para construir um computador quântico, conhecido como qubits, em uma rede 2D. Pesquisadores acham que uma das melhores rotas para fazer um computador quântico prático implicaria a criação de redes de centenas ou milhares de qubits que trabalham em conjunto.

Os circuitos do chip da IBM são feitos a partir de metais que se tornam supercondutor quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. O chip da IBM contém apenas a rede mais simples possível, quatro qubits em uma matriz dois-por-dois. Anteriormente os pesquisadores tinham mostrado que eles só poderiam operar qubits juntos quando dispostos em uma linha. Ao contrário de bits binários convencionais, um qubit pode inserir um ‘estado de superposição’ onde é efetivamente 0 e 1, ao mesmo tempo. Quando qubits nesse estado trabalham juntos, eles podem cortar através de cálculos complexos de maneiras impossíveis para hardwares convencionais. Google, NASA, Microsoft, IBM, e o governo dos EUA estão trabalhando na tecnologia.

Existem maneiras diferentes de fazer qubits, os circuitos supercondutores usados ​​pela IBM e Google são um dos mais promissores. No entanto, todos os qubits sofrem do fato de que os efeitos quânticos que utilizam para representar os dados são muito susceptíveis a interferência. Muito trabalho atual está focada em mostrar que pequenos grupos de qubits podem detectar quando erros ocorrem para que eles possam ser contornados ou corrigidos.

No início deste ano, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e do Google anunciaram a construção de um chip com nove qubits supercondutores dispostos em uma linha (clique aqui). Alguns dos qubits do sistema podem detectar quando companheiros no dispositivo sofrem um tipo de erro chamado bit-flip, onde um qubit representando um 0 muda para 1 ou vice-versa.

No entanto, qubits também sofrem de um segundo tipo de erro conhecido como flip de fase, em que o estado de superposição de um qubit fica distorcido. Qubits só podem detectar outros qubits se eles estão trabalhando em conjunto numa matriz 2D, diz Jay Gambetta, líder do grupo de pesquisa de computação quântica da IBM.

Um artigo publicado detalha como o chip da IBM com quatro qubits dispostos em um quadrado pode detectar ambos os bits-flips e os de fase. Um par de qubits é checado através do outro par. Um par faz a verificação dos bits-flips e outro verifica os flips de fase. “Este é um trampolim para demonstrar um quadrado maior”, diz Gambetta. “Outros desafios emergem quando o quadrado fica maior, mas parece muito otimista para as próximas etapas.”

Gambetta diz que sua equipe teve que projetar cuidadosamente o seu novo chip para superar problemas de interferências causados por colocar quatro qubits tão próximos. Eles já estão fazendo experiências com um chip que tem uma grade de oito qubits em um retângulo de dois-por-quatro. Raymond Laflamme, diretor do Instituto para a Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, descreve os resultados da IBM como “um marco importante [em direção aos] processadores quânticos de confiança”. Combater os erros é um dos problemas mais importantes do campo. “A computação quântica promete ter muitas aplicações alucinantes, mas é prejudicada pela fragilidade da informação quântica”.

Resolver esse problema exige ir um passo além dos resultados mais recentes da IBM, e corrigir os erros qubit bem como detectá-los. Isso só pode ser demonstrado em uma grade maior de qubits, diz Laflamme. No entanto, nem todos os pesquisadores de computação quântica pensam em qubits como aqueles que estão sendo construídos na IBM, Google e em outros lugares. Pesquisadores da Microsoft e Bell Labs estão trabalhando para criar um design completamente diferente do qubit que deve ser menos propenso a erros.

Fonte: http://www.technologyreview.com/news/537041/ibm-shows-off-a-quantum-computing-chip/

Computação quântica já existe! (e usa supercondutores)

Google comercializa computador quântico

Para realizar computação quântica confiável, o sistema da D-Wave opera em temperaturas próximas do zero absoluto. [Fonte da imagem: ZDNet]

O Instituto de Física Teórica Kavli da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UBC) está se unindo ao Google para promover a comercialização de computadores quânticos baseados em supercondutores.

A empresa D-Wave parecia um tiro no escuro quando lançada em 1999. Um ramo da University of British Columbia (UBC), a empresa pretendia comercializar o que na década de 1990 era um campo relativamente controverso e teórico - a computação quântica. A computação quântica é a arte de manipular entidades atômicas e explorar peculiaridades da física conhecida como “efeitos quânticos” para armazenar informações de forma mais densa e obter respostas instantaneamente de algoritmos complexos. A computação quântica é um desafio dos dois lados. Primeiro você precisa desenvolver um hardware capaz de explorar os tipos desejados de manipulação quântica. Segundo, você precisa programar o hardware com um algoritmo quântico derivado de um algoritmo clássico, como o algoritmo Page Rank de busca do Google.

Na década de 1990, nem o hardware nem o desenvolvimento de algoritmos quânticos era avançado o suficiente para ser considerado comercialmente viável. Mas a D-Wave jogou os dados e lançou uma startup na esperança de que poderia mudar isso no lado do hardware. Trabalhando em estreita colaboração com a UBC, com a Universidade de Toronto, com o laboratório de propulsão a jato da NASA e várias outras instituições de pesquisa americanas e canadenses, a D-Wave conseguiu atingir o improvável – construiu um hardware de computação quântica com potencial comercial.

Em 2007, ele executou sua primeira demonstração pública no sistema “Orion” de 16 qubits (qubit = bit quântico), que tinha uma parte especial de hardware chamado de “processador supercondutor quântico adiabático”. O processador quântico foi mais do que um co-processador no sentido de que ele não foi projetado para computação de propósitos gerais, mas para rodar algoritmos quânticos especializados carregados pelo hardware convencional.

Soluções foram geradas a partir de um processo complexo conhecido como 'recozimento quântico' (quantum annealing). Mais especificamente, o sistema da D-Wave opera através do entrelaçamento quântico - uma espécie de ligação psíquica (metaforicamente falando) entre elétrons em que espelham seus estados uns nos outros (mais especificamente, espelham uns nos outros os spins sobre seus respectivos núcleos atômicos). Para obter resultados ​​quânticos confiáveis, o sistema é resfriado a uma temperatura tão fria quanto ou mais que o espaço sideral.

Inicialmente, a alegação da D-Wave possuir o primeiro computador quântico funcional foi controversa. Contudo, os céticos foram incapazes de refutar suas reivindicações. Apoiadores como a NASA publicaram evidências dando suporte à sua possível validade.

O primeiro projeto revelado publicamente da D-Wave foi o processador “Orion” de 16 qubits

Desde o início, aplicações para a pesquisa eram evidentes. Junto com a resolução dos enigmas de Sudoku e um problema de escalonamento, um dos três demos iniciais em 2007 envolveu a busca de moléculas conhecidas em um banco de dados. Determinados algoritmos de busca de gráfico são problemas NP-completos; portanto, é impossível em um sentido convencional gerar uma solução exata na maioria dos casos.

A D-Wave iniciou a produção comercial com o processador “Orion” de 16-qubit

O objetivo é desenvolver a heurística para fornecer uma boa aproximação com base nas necessidades. Um dos objetivos centrais da D-Wave foi desenvolver um hardware comercial para obter soluções aproximadas de problemas NP-completos muito mais rápido do que é possível com hardware convencional.

Em maio de 2011, a D-Wave anunciou a disponibilidade de um processador de 128 qubit apelidado de “Rainier” (codinome: Chimera). O sistema completo tinha um preço de US$ 10 milhões de dólares. Este sistema tem uma temperatura operacional de 13,8 milikelvin (mK). A temperatura média que ocorre naturalmente no espaço sideral é de aproximadamente 2,7 K - quase 200 vezes maior do que a temperatura no interior do computador quântico.

D-Wave lançou em 2012 processadores quânticos de 128 qubits

Apesar do custo, o sistema recebeu várias compras. Os clientes incluem Universidade de Harvard, a Lockheed Martin Corp. (LMT) e a Universidade de Cornell. Enquanto o sistema mostrou resultados questionáveis ​​em termos de aceleração, ao menos desmistificou o ceticismo fornecendo indícios de que o complexo equipamento funcionou como descrito.

O computador quântico One D-Wave vendido por US$ 10 milhões de dólares

Mais tarde naquele ano, a D-Wave apresentou o Vesúvio (D-Wave Two) com 512-qubit. O design do D-Wave Two foi um salto crucial, uma vez que finalmente começou a eclipsar os computadores tradicionais em velocidade. Em alguns casos, o D-Wave Two foi centenas de vezes mais rápido quando comparado o melhor algoritmo quântico com o algoritmo clássico mais apto em hardware tradicional.

 Google e D-Wave: enredados por uma causa comum

O envolvimento da Google com a D-Wave remonta há mais de meia década. Em 2009, uma das primeiras demonstrações de protótipos iniciais da D-Wave envolveu um algoritmo quântico de busca de imagem da Google. Em maio de 2013, o Google e a D-Wave aprofundaram a parceria anunciando a abertura do  laboratório Google Quantum Artificial Intelligence. O laboratório foi co-patrocinado pela NASA e pela Universities Space Research Association (USRA). Ele mostrou que em vários indicadores, o D-Wave poderia oferecer uma aceleração de 3 a 5 ordens de magnitude maior do que dos algoritmos e hardwares convencionais.

Google usou suas caixas da D-Wave para otimizar partes do seu sistema operacional Android. Enquanto eles se recusaram a revelar certos detalhes, o Google disse que as otimizações alcançadas com o hardware quântico foram muito além do que era possível com o seu hardware convencional. Uma caixa da D-Wave poderia fazer o trabalho de otimização, em alguns casos, de todo um grande centro de dados.

        Em maio, o laboratório ofereceu uma validação crucial da tecnologia D-Wave, usando uma técnica chamada espectroscopia de tunelamento de qubit. Eles observaram uma forte evidência de entrelaçamento quântico durante uma parte chave do processo. Esta validação foi muito importante, já que algumas perguntas permaneciam se a máquina da D-Wave verdadeiramente realizava o quantum annealing. Enquanto descrições da física quântica forneceram o melhor ajuste para métricas observadas anteriormente, estudos indicam que os modelos clássicos demonstraram um comportamento semelhante. O novo trabalho do Google et al., mostrou de forma inequívoca que os mecanismos quânticos estavam trabalhando dentro das misteriosas caixas da D-Wave.

Sangue novo!

A parceria anunciada recentemente com a UCSB traz a bordo um dos maiores especialistas do mundo em supercondutores, o físico John Martinis. Professor Martinis ganhou o prêmio de Londres - um prêmio de investigação de ponta - para aplicações de supercondutores na computação quântica. Sua especialidade está no controle quântico - sistemas químicos que permitem manipulação de estados quânticos - e processamento de informação quântica - projetar algoritmos quânticos especializados (software) para analisar conjuntos de dados complexos.

O grupo do professor Martinis: Austin Fowler, Rami Barends, Professor John Martinis e Julian Kelly

Hartmut Neven, diretor de engenharia do Google relata:

Com um grupo de hardware integrado, a equipe agora será capaz de implementar e testar novos designs para otimização quântica e processadores de inferência baseados em recentes conhecimentos teóricos, bem como em nosso aprendizado a partir da arquitetura quantum annealing da D-Wave. Vamos continuar colaborando com os cientistas da D-Wave e experimentar a máquina "Vesúvio" na NASA, que será atualizada para 1000 qubit do processador "Washington".

A D-Wave revelou no ano passado que a sua concepção de qubit consiste de alças supercondutoras compostas de nióbio, com uma camada isolante de óxido de alumínio na junção. Os loops supercondutores são conhecidos como junções Josephson, em homenagem ao físico britânico Brian David Josephson que ganhou um prêmio Nobel de Física por descrever, em 1962, o comportamento deste tipo de circuito.

Circuitos supercondutores de nióbio e óxido de alumínio podem ser construídos em um substrato de silício para projetos de eletrônica quântica. [Fonte da imagem: IEEE Spectrum]

A fase e a carga do supercondutor utilizado são fundamentais para quanto tempo os qubits podem ser mantidos e que níveis de emaranhamento podem ser alcançados durante o quantum annealing. Nióbio é o supercondutor líder usado nestas junções, que também são conhecidas como junções túnel (STJ). Não há substituto para o nióbio que é o supercondutor elementar de mais alta temperatura crítica (9,26 K). Investigações sugerem que o tecnécio sob alta pressão pode alcançar 11,2 K, porém mais trabalho precisa ser feito para analisar a viabilidade da utilização de um material em uma STJ.

Nióbio elementar na forma de liga é azul e é encontrado em depósitos cristalinos. [Fonte da imagem: Wikimedia Commons]

Entretanto, professor Martinis pode focar seus conhecimentos na otimização da geometria da junção e nas técnicas de deposição para produzi-la de forma consistente e acessível. Ele deve também trabalhar para produzir um tipo especial de geometria na junção Josephson - uma junção em forma de cruz que ele chama de “XMON”. Em abril, sua equipe publicou um artigo na Nature sobre ‘xmons’ de qualidade perto de comerciais. Xmons mostram emaranhamento superior a outras geometrias da junção, mas (como afirma o artigo) está apenas começando a se aproximar da disponibilidade comercial.

Professor Martini desenvolveu uma junção Josephson melhorada que tem uma geometria em forma de cruz. Ele a chama de um qubit “XMON”. [Fonte da imagem: UCSB]

A recompensa para o Google irá, em curto prazo, ser realizada por meio de algoritmos de otimização de software que caçam pelas ineficiências em um código base. Em longo prazo, o Google pode ser capaz de abaixar os preços desses sistemas quânticos o suficiente para torná-los utilizáveis ​​como um backend de busca para o seu motor de imagens, proporcionando uma busca muito mais veloz e inteligente.

Fonte: http://www.dailytech.com/Google+Snares+Superconductor+Genius+Plan+1K+Qubit+Quantum+Computer/article36497.htm