Cientistas fazem controlador digital funcionar próximo do zero absoluto – Avanço para computadores quânticos

Cientistas da Universidade de Sydney desenvolveram um controlador de qubits de spin que pode operar a temperaturas de alguns milikelvins. Isso é próximo ao zero absoluto (-273,15 °C), quando as vibrações dos átomos são praticamente silenciosas. O desenvolvimento permitirá que o controlador seja colocado próximo aos qubits supercondutores que ele controla, facilitando a escalabilidade de computadores quânticos para centenas de milhares ou milhões de qubits.

Crédito da imagem: Fiona Wolf / Universidade de Sydney

Um computador quântico moderno baseado em qubits supercondutores é impensável sem uma infinidade de cabos que saem da câmara criogênica com os qubits. Os qubits devem ser resfriados a uma temperatura próxima ao zero absoluto para que seus estados quânticos não sejam perturbados durante o lançamento de programas – isso reduz a interferência e o impacto do ruído. No entanto, os componentes eletrônicos que controlam os qubits não podem ser colocados dentro da câmara criogênica – eles simplesmente se recusarão a funcionar. Os semicondutores do controlador perderão suas características de desempenho. Portanto, é necessário usar uma infinidade de cabos. Além disso, os componentes eletrônicos geram calor, o que destruirá os estados quânticos dos qubits se estiverem localizados próximos a eles.

Os cabos emaranhados e numerosos dificultam o dimensionamento de computadores em qubits supercondutores. Portanto, a questão de mover a eletrônica de controle para a câmara de qubits é uma questão de dimensionamento. Assim, a Intel conseguiu criar controladores que podem suportar resfriamento logo abaixo de 4 K, mas isso não é suficiente. A empresa americana SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing) foi mais longe, relatando em 2023 o desenvolvimento de um controlador CMOS capaz de operar com resfriamento de até 20 mK – este já é um resultado significativo. Cientistas da Austrália não especificam as temperaturas exatas que conseguiram atingir, mas, segundo eles, essas são de vários milikelvins.

O desenvolvimento revelou-se tão promissor que professores da Universidade de Sydney criaram três startups com base nele: Uniii, Emergence Quantum e Diraq. Todas elas comercializarão a tecnologia para a produção de controladores CMOS supertolerantes ao resfriamento para controlar qubits supercondutores. Mais precisamente, estamos falando de qubits de spin, que usam um elétron como bit quântico e controlam seu spin.

Estes são essencialmente transistores comuns, com um único elétron em seu canal. É possível fabricar um bilhão desses transistores por centímetro quadrado — e isso pode ser escalado a limites inimagináveis. Mas controlar tal conjunto de qubits se resume a feixes de cabos. Então, voltamos à questão de mover a eletrônica de controle dentro do sistema criogênico. Os australianos dizem que agora têm uma solução.

Fonte da imagem: Nature 2025

Além disso, em um artigo publicado na Nature, os pesquisadores demonstraram que seu controlador CMOS não só funciona quando resfriado a alguns milikelvins, como também gera muito pouco calor — apenas 20 nW/MHz. Usando uma plataforma de um qubit e uma de dois qubits, eles demonstraram que posicionar o controlador a 3 mm de distância do processador quântico não teve efeito sobre os qubits. O tempo de coerência permaneceu praticamente o mesmo, quer o controlador estivesse dentro do processador, consumindo 10 μW, ou quando os qubits eram controlados por cabos por um controlador externo.

«”Isso dá esperança de que qubits possam de fato ser controlados em larga escala, integrando componentes eletrônicos complexos em condições de temperatura [de trabalho] criogênicas. Nosso artigo mostra que, com um projeto de controle cuidadoso, é improvável que qubits frágeis percebam a comutação de transistores em um chip localizado a menos de um milímetro de distância”, concluem os autores.