*Por Jennifer Langston
O programa Azure Quantum, da Microsoft, desenvolveu dispositivos que podem criar propriedades quânticas que os cientistas imaginaram por quase um século, mas não foram capazes de produzir no mundo real – até agora.
É um importante avanço científico que demonstra os blocos de construção indescritíveis para um bit quântico topológico, ou qubit, que a Microsoft há muito busca como o caminho mais promissor para desenvolver um computador quântico escalável que lançará uma nova geração de recursos de computação ainda inimagináveis para clientes do Azure.
“O incrível é que os humanos conseguiram projetar um sistema para demonstrar uma das peças mais exóticas da física do universo. E esperamos isso para fazer o quase impensável – avançar em direção a uma máquina quântica tolerante a falhas que permitirá que a computação opere em um nível totalmente novo, mais próximo da maneira como a natureza opera”, disse Krysta Svore, engenheira da Microsoft que lidera o programa de software quântico da empresa.
“Isso nunca foi feito antes, e até agora nunca havia certeza de que poderia ser feito. Mas aí está essa validação final de que estamos no caminho certo”, disse ela.
Com base em duas décadas de pesquisa científica e investimentos recentes em simulação e fabricação, a equipe do Azure Quantum projetou dispositivos que permitem induzir uma fase topológica da matéria marcada por um par de modos zero Majorana – híbrido de partícula e antipartícula. Essas excitações quânticas normalmente não existem na natureza e devem ser persuadidas a aparecer sob condições incrivelmente precisas.
Os cientistas procuraram criar e observar essas excitações desde que foram teorizadas pela primeira vez em 1937. Mais recentemente, eles perceberam que os modos zero de Majorana podem desempenhar um papel importante na proteção de informações quânticas e permitir computação confiável.
A equipe do Azure Quantum também conseguiu produzir o que é conhecido como fase topológica e medir a lacuna topológica, que quantifica a estabilidade da fase.
A capacidade de criar e sustentar uma fase quântica com modos zero de Majorana e uma lacuna topológica mensurável remove o maior obstáculo para produzir um tipo único de qubit, que a máquina quântica da Microsoft usará para armazenar e computar informações, chamado qubit topológico. É a base da abordagem da empresa para construir um computador quântico que deve ser mais estável do que máquinas construídas com outros tipos de qubits conhecidos e, portanto, escalar como nenhum outro.
Em todo o mundo, os cientistas estão correndo para entender melhor os complicados processos químicos ou moleculares que podem ajudar a remover da atmosfera gases de aquecimento climático, criar melhores baterias ou fontes sustentáveis de energia, produzir mais alimentos em um único acre de terra ou ajudar a remover poluentes para criar água limpa.
Mas, mesmo com os recursos de computação massivos de hoje, alguns desses problemas excedem os limites dos computadores clássicos, que exigiriam anos , décadas ou o tempo de vida do universo para serem resolvidos. Por outro lado, os computadores quânticos procuram usar a mecânica quântica – as mesmas leis e equações matemáticas que descrevem como as partículas subatômicas se comportam – para processar informações de maneiras inteiramente novas e em uma escala que antes era inatingível.
“Descobrir como alimentar o mundo ou curá-lo das mudanças climáticas exigirá descobertas ou otimização de moléculas que simplesmente não podem ser feitas pelos computadores clássicos de hoje, e é aí que a máquina quântica entra em ação”, disse Zulfi Alam, vice-presidente corporativo quântico da Microsoft, que disse que pensa muito em seu trabalho sobre como deixar o mundo em um lugar melhor para seu filho de quatro anos.
“Não sei se fizemos isso nas últimas duas ou três gerações”, disse ele. “Então, espero que possamos retribuir agora e fazer algo para ajudar a curar o planeta, e acredito que precisamos do poder computacional da computação quântica para conseguir isso.”
A equipe do Azure Quantum determinou desde o início que resolver esses problemas urgentes do mundo real exigirá computadores quânticos que empregam um milhão de qubits ou mais. Até o momento, demonstrações públicas de computação quântica baseada em portas usaram menos de 130. E os especialistas da Microsoft esperam que muitos dos qubits de hoje tenham limitações que dificultarão o alcance da escala necessária para oferecer suporte a aplicativos quânticos comerciais.
É por isso que o Azure Quantum se concentrou no desenvolvimento de qubits topológicos, que devem ser mais rápidos, menores e menos propensos a perder informações do que outros tipos desenvolvidos atualmente. A empresa acredita que criar um qubit topológico mais estável é o caminho mais claro e rápido para construir uma máquina quântica em escala industrial.
Mas, até agora, a desvantagem de buscar um qubit topológico era que ninguém tinha certeza de que era possível aproveitar a física quântica subjacente para produzi-los.
“O fato de termos feito isso que é muito, muito difícil e agora podemos fazer dispositivos que produzem essa fase topológica, mostra que temos uma equipe muito talentosa que está à altura do desafio e pode enfrentar os próximos passos críticos”, disse Chetan Nayak , engenheiro da Microsoft que lidera o programa de hardware quântico.
“Isso prova os principais aspectos dessa física indescritível e agora está a todo vapor para o qubit topológico”, disse ele.
Uma abordagem de alto risco e alta recompensa
A indústria quântica está atualmente buscando muitas abordagens diferentes para o desenvolvimento de qubits. Quando os qubits podem ser mantidos em ótimo estado, um computador quântico pode teoricamente explorar as peculiaridades da mecânica quântica – como superposição, emaranhamento e interferência – para resolver certos problemas com muitas variáveis e soluções possíveis em uma fração do tempo que levaria computadores tradicionais. Mas nenhum computador quântico ainda existe em uma escala que possa cumprir a promessa de resolver problemas complicados do mundo real.
Os clientes atuais do Azure Quantum conseguiram obter benefícios antecipados e significativos da tecnologia quântica, como o uso de princípios quânticos em algoritmos clássicos para acelerar soluções de otimização. Eles também podem começar a aprender a programar soluções quânticas duráveis que podem ser testadas e executadas na atual geração de hardware quântico do setor.
Todas as decisões e todos os investimentos no Azure Quantum foram focados em um objetivo de longo prazo: desenvolver uma máquina quântica e oferecer suporte a um ecossistema que permita que os clientes do Azure resolvam problemas de escala empresarial do mundo real com a tecnologia.
Essa máquina quântica foi projetada para trabalhar lado a lado com os recursos de computação clássicos do Azure para oferecer aos clientes novos recursos. Por exemplo, uma empresa química pode projetar novos catalisadores em questão de semanas em vez de décadas em um laboratório. Os cientistas podem desvendar os segredos da natureza para colher luz de forma mais sustentável e melhorar a energia fotovoltaica para obter a uma matriz energética mais limpa.
Quem desenvolver primeiro um acelerador quântico comercial terá uma forte vantagem competitiva, junto com seus clientes, disse Alam. É mais uma maneira pela qual o Azure planeja continuar a fornecer os melhores serviços de nuvem da categoria e capacitar seus clientes corporativos a oferecer avanços em seus setores.
Por exemplo, um computador quântico de um milhão de qubits deve ser capaz de simular com precisão moléculas complexas em busca de novos catalisadores químicos que um computador clássico, mesmo do tamanho de todo o sistema solar, não seria capaz de modelar, dizem os especialistas da Microsoft. “Este é o próximo grande avanço na computação – não há confusão sobre isso nas mentes do mundo corporativo”, disse Alam.
Mas para construir um computador quântico comercialmente útil, seus qubits precisam ter um bom desempenho em três dimensões principais: confiabilidade, velocidade e tamanho.
Os estados quânticos são, por natureza, extremamente frágeis e propensos a interrupções, dificultando a manutenção de um estado em que os qubits possam realizar cálculos de forma confiável. Para oferecer vantagens sobre a computação clássica, os qubits também precisam processar informações rapidamente. E os componentes de uma máquina quântica não podem ser tão grandes que encheriam um armazém ou um campo de futebol, o que tornará os sistemas construídos em certos tipos de qubits difíceis de escalar.
“Você pode construir um qubit – isso não é um problema. Mas sabemos que para chegar a milhões deles trabalhando juntos, que se faz necessário para desbloquear novos materiais e fazer as aplicações práticas que queremos fazer, você precisa acertar essas três coisas ao mesmo tempo”, disse Lauri Sainiemi, Gerente geral da Microsoft para fabricação.
Um desafio no desenvolvimento de um computador quântico é que os qubits colapsam facilmente quando encontram ruído ambiental, como calor, partículas subatômicas perdidas ou campos magnéticos. As informações são perdidas e os qubits não são mais úteis para computação. Erros começam a ocorrer e o computador quântico precisa dedicar qubits não tão confiáveis para corrigi-los. É como tentar manter pratos girando em pauzinhos, quando a menor perturbação na sala pode fazer com que um prato fique desequilibrado e comece a colidir com todos os outros.
A abordagem da Microsoft tem sido buscar um qubit topológico que tenha proteção integrada contra ruído ambiental, o que significa que deve levar muito menos qubits para realizar cálculos úteis e corrigir erros. Os qubits topológicos também devem ser capazes de processar informações rapidamente, e pode-se colocar mais de um milhão em um wafer menor que o chip de segurança em um cartão de crédito.
Para criar proteção topológica, as informações quânticas podem ser codificadas em um par de modos zero Majorana que são fisicamente separados. Isso torna um qubit topológico mais imune ao ruído ambiental, que não pode interagir ou destruir as informações quando encontra apenas um. A única maneira de desbloquear as informações quânticas é observar o estado combinado dos dois modos zero de Majorana ao mesmo tempo. Fazer essas medições de maneira estratégica permite operações quânticas e cria proteção inerente para o qubit.
Mas primeiro, a equipe do Azure Quantum precisava demonstrar como criar de forma confiável a fase topológica que confere essas vantagens de estabilidade, velocidade e tamanho. Eles desenvolveram um processo que coloca materiais semicondutores e supercondutores em um dispositivo de maneira extremamente controlada e atomicamente precisa. Na presença de campos magnéticos e voltagens específicos, os dispositivos podem produzir uma fase topológica com um par de modos zero Majorana – caracterizados por assinaturas de energia reveladoras que aparecerão em cada extremidade de um nanofio sob as condições certas – e uma lacuna topológica mensurável.
Ao explorar quais arquiteturas atenderiam aos requisitos para executar aplicativos quânticos práticos, os especialistas quânticos da Microsoft passaram a acreditar que um qubit topológico era o único bloco de construção que marcava todas as três caixas de um computador quântico que poderia atingir a escala necessária para uso prático.
Mas eles também sabiam que decidir investir nessa abordagem topológica desafiadora era um pouco como escolher escalar uma montanha direto do início da trilha para ser recompensado com uma caminhada mais fácil ao longo da cordilheira, em vez de seguir o caminho mais fácil de permanecer no vale só mais tarde para chegar a um penhasco que bloqueia o progresso ascendente.
“A Microsoft adotou essa abordagem muito arriscada, mas de alta recompensa, ao tentar criar um qubit que, do lado da teoria, parece o melhor qubit que você pode obter. Mas o desafio era que ninguém realmente viu esses modos zero de Majorana na vida real”, disse Peter Krogstrup, diretor científico do Laboratório de Materiais Quânticos da Microsoft em Lyngby, Dinamarca. “Mas nós fizemos isso agora, e isso é super empolgante. Temos que continuar a evoluir nossos recursos de engenharia, mas realmente parece que há um caminho para a computação quântica escalável agora.”
‘De repente foi uau’
Roman Lutchyn se lembra estar em um hotel, almoçando, quando recebeu um e-mail no ano passado de um colega que havia sido solicitado a analisar as medidas de um experimento no mais novo design de dispositivo da equipe. Anteriormente, eles haviam trabalhado com especialistas quânticos para desenvolver uma lista de verificação de todas as coisas que precisavam ver nos dados para se convencer de que realmente alcançaram o avanço topológico.
Lutchyn, gerente de pesquisa de parceiros da Microsoft com experiência em simulação quântica, escolheu esse colega para analisar os dados porque historicamente ele era um cético saudável na equipe. Ele também não esteve envolvido no projeto ou teste desse dispositivo específico, que envolve enviar uma corrente elétrica pelo sistema e ver como os materiais respondem. Desta vez, o colega concordou, os dados marcaram todas as caixas que eles estavam procurando.
Havia um par de assinaturas de energia reveladoras chamadas picos de polarização zero, que indicam a presença de modos zero de Majorana em ambas as extremidades de um nanofio que foi sintonizado em uma fase topológica. Anteriormente, essa assinatura só era vista em uma extremidade do fio e não em combinação. Houve também outro padrão nos dados de condutância elétrica que forneceu evidências de uma lacuna topológica, que é uma medida que quantifica o quão imune a fase topológica é a perturbações ambientais. A equipe precisava ver a lacuna se fechando e reabrindo – juntamente com o aparecimento simultâneo dos dois picos de viés zero – o que eles fizeram claramente pela primeira vez. “Foi de repente uau. Analisamos os dados e foi isso”, disse Lutchyn.
Em consulta com especialistas externos no campo quântico, a equipe do Azure Quantum queria definir o nível mais alto possível e estabelecer claramente quais critérios objetivos mostrariam que eles estabeleceram a fase topológica há muito procurada. Em particular, eles queriam evitar incertezas como aquelas que levaram à retração de um artigo da Nature de 2018, no qual os autores que buscavam os modos zero de Majorana se baseavam em dados que se revelaram incompletos ou enganosos.
É por isso que, disse Alam, a equipe de hardware convidou um conselho externo que inclui alguns dos principais especialistas do mundo no campo quântico para revisar os resultados mais recentes em detalhes e oferecer feedback e validação para a descoberta.
A equipe do Azure Quantum entendeu que simplesmente ver uma evidência isolada não seria suficiente. Mas eles dizem que o acúmulo de dados de seus designs de dispositivos mais recentes – vendo todos os padrões que eles estavam procurando em conjunto e em vários dispositivos – torna um caso muito mais convincente.
“Se você vê apenas pedaços ou peças, pode ser difícil dizer o que está vendo”, disse Judith Suter, pesquisadora sênior da Microsoft que trabalha no Quantum Materials Lab. “Se você encontrar um único osso no deserto, é difícil dizer de que animal veio. Mas se você encontrar um esqueleto inteiro montado, você pode olhar para ele e dizer: ‘Ah sim, isso é uma raposa.'”
Da experimentação ao design industrial
No ano passado, a equipe de hardware do Azure Quantum passou de uma abordagem amplamente experimental — testando teorias no laboratório e aprendendo por tentativa e erro — para simular, projetar e projetar materiais com requisitos específicos para um desempenho ideal.
“Não somos motivados apenas pela descoberta científica. Estamos no negócio de construir produtos que agregam valor e capacitam nossos clientes a fazer o que antes era inimaginável”, disse Alam, que ajudou a impulsionar uma mudança cultural em todo o programa que muitos concordam ter ajudado a acelerar o progresso recente da equipe.
“Construir um computador quântico é semelhante a enviar alguém para a lua ou se aventurar em Marte. Tem o mesmo nível de complexidade – ou mais – e requer uma equipe de especialistas trabalhando muito juntos, onde a missão é muito maior do que as partes individuais”, disse Alam.
Durante anos, a pesquisa quântica da empresa contou com abordagens amplamente acadêmicas que encorajavam várias equipes a testar quaisquer teorias que considerassem mais promissoras, com base em profundo conhecimento em física quântica, mas também um pouco de intuição e adivinhação. Exige configurar e executar experimento após experimento em um laboratório, o que pode consumir muito tempo e às vezes dificultar o isolamento rápido do que contribuiu para o sucesso ou o fracasso.
Usando os recursos de computação massivos do Azure, Lutchyn e outros pesquisadores do laboratório Station Q da Microsoft em Santa Barbara desenvolveram novos recursos de simulação quântica para complementar a pesquisa acadêmica inestimável da equipe. Isso agora permite que a equipe de hardware modele e preveja como diferentes designs de dispositivos – desde os materiais usados para as dimensões de cada componente até como os qubits podem ser vinculados – influenciam o comportamento quântico. Essa capacidade de testar iterativamente diferentes cenários e ajustar parâmetros individuais na simulação permitiu à equipe isolar quais características são os impulsionadores mais importantes do desempenho.
“Isso leva o programa para o próximo nível porque está mudando de uma abordagem experimental e científica para uma abordagem mais industrial e de engenharia”, disse Lutchyn. “Agora temos muito mais consistência. Você pode dizer ‘esta é a receita e aqui estão as especificações que você precisa acertar’ e, de forma mais previsível, você obtém o que espera ver.”
Especialistas do Laboratório de Materiais Quânticos de Copenhague da Microsoft e de outros lugares também passaram os últimos anos inventando ou otimizando técnicas de fabricação que agora lhes permitem projetar e fabricar dispositivos com precisão de nível atômico. Descobrir como montar os principais elementos do dispositivo mais recente em um ambiente de alto vácuo também permitiu que as equipes de hardware atingissem níveis de pureza que eram impossíveis com as técnicas convencionais de fabricação.
Esses e outros avanços de fabricação também foram fundamentais para a realização do mais recente avanço da Microsoft, diz a equipe, permitindo que as pessoas que fabricam o hardware correspondam e realizem fisicamente as especificações ideais geradas pela equipe de design e simulação.
“Agora somos liderados por projetos baseados em simulações, não apenas por alguém debatendo ideias em uma sala de conferências”, disse Nayak. “E agora temos as tecnologias exclusivas de crescimento e fabricação para dar vida a essas ideias. Não importa se você tem os melhores designs do mundo – se você não pode fazê-los, eles ficam no papel.”
No caminho da engenharia do qubit
Para deixar claro, dizem os líderes quânticos da Microsoft, há um trabalho muito mais desafiador pela frente no caminho para a criação de um computador quântico escalável.
Mas esses mesmos recursos de simulação, design e fabricação continuarão a beneficiar a equipe do Azure Quantum à medida que avançam nas próximas etapas: descobrir como tornar uma lacuna topológica mais robusta e estável, emaranhar os blocos de construção da Majorana para criar um qubit, processar informações com qubits que pode realizar computação significativa e conectar qubits que devem operar em temperaturas mais frias que o espaço sideral em uma máquina escalável.
Mas o ponto de interrogação científico mais importante já foi apagado, diz a equipe. E o próximo conjunto de problemas no horizonte, embora ainda difícil, está em um território um pouco menos desconhecido.
“Não há mais nenhum obstáculo fundamental para produzir um qubit topológico”, disse Sainiemi. “Isso definitivamente não significa que terminamos – ainda temos muito trabalho a fazer. Mas a parte fundamental foi demonstrada, e agora estamos em um caminho mais de engenharia e é isso que continuaremos buscando.”
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*Jennifer Langston escreve sobre o Microsoft Research e inovação.
