As tecnologias quânticas estão avançando rapidamente além dos experimentos laboratoriais controlados e entrando em aplicações práticas. De acordo com um novo artigo publicado na revista Science, o campo atingiu um estágio crítico que reflete os primeiros dias da computação clássica, antes da invenção do transistor remodelar a tecnologia moderna.
O artigo foi escrito por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade de Stanford, do MIT, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, e da 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 Awschalom, 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 físicos fundamentais foram estabelecidos, os sistemas funcionais existem e agora devemos cultivar as parcerias e os esforços coordenados necessários para concretizar todo o potencial desta tecnologia em escala prática. Como enfrentaremos o desafio de dimensionar e modularizar as arquiteturas quânticas?”
De experimentos de laboratório às primeiras aplicações práticas
Na última década, as tecnologias quânticas evoluíram de experimentos 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 que ajudou a microeletrônica a amadurecer durante o século XX.
Comparando as plataformas de hardware Quantum 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 linguagem de grande escala, como ChatGPT e Gemini, para estimar os níveis de prontidão tecnológica (TRL).
O TRL mede a maturidade tecnológica por meio de uma escala de 1 (princípios fundamentais observados em ambiente de laboratório) a 9 (validado em ambiente operacional). Um TRL mais elevado não significa necessariamente que uma tecnologia esteja próxima de ser amplamente utilizada, mas sim que demonstrou capacidades de sistema mais completas.
Esta análise fornece uma visão geral do estado atual do campo. Embora alguns protótipos avançados já estejam a funcionar como sistemas completos e acessíveis através de plataformas de nuvem pública, o seu desempenho global ainda é limitado. Muitas aplicações de alto impacto, incluindo simulações de química quântica em grande escala, podem exigir milhões de qubits físicos, com taxas de erro muito superiores às que a tecnologia atual pode suportar.
Por que a preparação tecnológica requer contexto
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 na época, eles podiam fazer muito pouco em comparação com os circuitos integrados avançados de hoje”, disse ele. “Da mesma forma, o elevado TRL atual para tecnologias quânticas não indica que o objetivo final foi alcançado, nem que a ciência está completa e apenas a engenharia permanece. Em vez disso, reflete que foram alcançadas demonstrações importantes, mas relativamente modestas, a nível de sistema – e que ainda são necessárias melhorias e expansão substanciais para concretizar a promessa total.”
Desafios e lições da história da computação estendida
Entre as plataformas estudadas, os qubits supercondutores tiveram a pontuação mais alta na computação quântica, os átomos neutros lideraram nas simulações quânticas, os qubits fotônicos tiveram a melhor classificação nas redes quânticas e os defeitos de spin tiveram o melhor desempenho na 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 na 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 sinalização continuam sendo grandes desafios de engenharia, já que a maioria das plataformas ainda depende de fios de controle individuais para cada qubit. À medida que os sistemas crescem em direção a milhões de qubits, simplesmente adicionar mais fiação torna-se impraticável. (Os engenheiros da computação enfrentaram problemas semelhantes na década de 1960, a chamada “tirania dos números”.) O gerenciamento de energia, o controle de temperatura, a calibração automática e a coordenação em nível de sistema representam desafios adicionais que aumentarão à medida que os sistemas quânticos se tornarem mais complexos.
O artigo compara o longo cronograma de desenvolvimento da eletrônica clássica. Muitas descobertas transformadoras, incluindo a fotolitografia e novos materiais de transistores, levam anos ou mesmo décadas para passar dos laboratórios de pesquisa para a produção industrial. Os autores acreditam que a tecnologia quântica provavelmente seguirá um caminho semelhante. Eles enfatizam a necessidade de um design de sistema de cima para baixo, de uma colaboração científica aberta que evite a fragmentação precoce e de expectativas realistas.
“A paciência tem sido um elemento-chave em muitos desenvolvimentos marcantes e aponta para a importância de ajustar as expectativas do cronograma para as tecnologias quânticas”, escreveram eles.
