Adam Weiss da SEEQC, uma fundição de chips quânticos, configurou o refrigerador de diluição
VERQC
Há muitas coisas que adoro na década de 1980, desde a nova onda do heavy metal britânico até os tons roxos preferidos pelos maquiadores da época. Mas entre todas essas coisas, ruído e brilho, existem algumas estrelas esquecidas: circuitos supercondutores. Em 1980, a gigante da informática IBM apostou nesta tecnologia para construir um computador altamente eficiente e revolucionário. Em maio daquele ano, a popular revista científica Científico Americano até mesmo instalando circuitos supercondutores no gabinete.
Mas a revolução nunca aconteceu. Os chips de computador supercondutores parecem não ser mais populares. Porém, há uma empresa que continua mantendo suas pesquisas. Visitei recentemente a sede da SEEQC e a fundição de chips quânticos da empresa no norte do estado de Nova York, alguns dos quais vieram do programa fechado de computação de supercondutores da IBM. Lá, aprendi sobre as esperanças da empresa de que os chips supercondutores desempenharão um papel em uma nova revolução tecnológica – desta vez com computadores quânticos.
Dentro das instalações de fabricação do SEEQC, eu estava cercado por grandes máquinas e técnicos vestindo trajes de proteção de corpo inteiro. Em algumas dessas salas limpas, camadas ultrafinas do metal supercondutor nióbio são depositadas repetida e cuidadosamente sobre uma camada de material dielétrico, criando uma estrutura lisa, semelhante a um sanduíche. Noutros, os dispositivos de litografia utilizam luz para escrever circuitos complexos nestas estruturas, e cada pequena vala e ranhura torna-se crítica para os processos quânticos que os fazem funcionar. Todo o piso está cheio de ruído e tudo emite uma luz amarela que, na minha opinião, atrapalha menos o processo de fabricação do chip do que as outras cores. Enquanto conversávamos em uma sala de conferências adjacente, o CEO da SEEQC John Levy me deu uma versão do chip supercondutor da empresa e fiquei surpreso com o quão pequeno e quadrado ele era para um dispositivo que visa derrubar uma indústria já futurística.
Problemas que temos que resolver
Os supercondutores transmitem eletricidade com perfeita eficiência, o que os torna muito diferentes de todos os materiais que normalmente usamos na eletrônica. Quando você conecta o telefone para carregar, o cabo ou carregador geralmente esquenta, reduzindo a energia que de outra forma seria usada no telefone. Isto aconteceu de tal forma que, em 2017, cientistas da computação escreveu Michael Frank“Os computadores convencionais são, essencialmente, aquecedores elétricos caros que fazem pouca computação como efeito colateral.”
Computadores com componentes supercondutores não enfrentarão esse problema. Mas há um problema: todos os supercondutores conhecidos devem ser armazenados em temperaturas ultrabaixas ou submetidos a pressões extremas para funcionarem. Isto significa que os computadores supercondutores devem sempre ser mantidos a uma temperatura vários graus acima do zero absoluto. Historicamente, isso tem se mostrado muito caro e complicado. A IBM abandonou os seus esforços de investigação sobre a computação supercondutora em 1983. Os computadores convencionais que emitem calor venceram e, ironicamente, o custo da energia computacional continuou a aumentar, e actualmente está a disparar principalmente devido à explosão da IA.
No entanto, os supercondutores voltaram aos holofotes várias décadas depois. Em 1999, uma equipe de pesquisa no Japão feito Os primeiros bits quânticos supercondutores, ou qubits, são os blocos de construção mais básicos para computadores quânticos. Esta foi uma proposta fundamentalmente diferente daquela que os investigadores tentaram uma década antes. Em vez de replicar a computação habitualmente utilizada com materiais supercondutores, abriram a porta a um tipo completamente novo de computação, com dispositivos que processam informação através de mecanismos que não existem em nenhum computador convencional.
A computação quântica avançou rapidamente desde então e os qubits supercondutores desempenharam um papel nesse progresso. O Google e a IBM os utilizam para alimentar alguns dos computadores quânticos mais avançados da atualidade, e os dispositivos começaram a enfrentar problemas cientificamente interessantes com um sucesso encorajador. Várias demonstrações que mostram a “supremacia quântica” sobre os computadores clássicos são inegáveis, reforçando a promessa de que estas máquinas são fundamentalmente diferentes de quaisquer computadores criados anteriormente.
Ao mesmo tempo, os computadores quânticos ainda não cumpriram as suas promessas disruptivas: não quebraram a criptografia amplamente utilizada, não descobriram novos medicamentos milagrosos ou revolucionaram a química industrial, para citar alguns. O caminho para fazer essas coisas ainda está cheio de desafios e obstáculos técnicos.
A resposta poderia estar na década de 1980? Levy certamente pensa assim. Ele disse que sua equipe está construindo um chip supercondutor digital que permitiria que os computadores quânticos fossem maiores, mais poderosos e mais à prova de erros, tudo ao mesmo tempo. Perto de nós, pesquisadores estavam testando chips em todos os tipos de refrigeradores tubulares, e ele me disse que os chips não tinham como objetivo apenas fabricar mais um dispositivo, ou mais um componente, mas também substituir muitos dos componentes que atualmente tornam os computadores quânticos volumosos e ineficientes.
Em sua essência, um computador quântico supercondutor consiste em um chip cheio de qubits supercondutores e um refrigerador no qual o chip deve permanecer funcional. Se você olhar de fora, poderá ver uma caixa retangular elegante, geralmente da altura de uma pessoa. Mas há mais. Os Qubits devem ser controlados e monitorados, as informações devem ser inseridas neles a partir de computadores convencionais e os resultados de seus cálculos também devem ser lidos pelo computador. Os Qubits também são frágeis e propensos a cometer erros, por isso devem executar algoritmos de correção de erros, que exigem controles sofisticados que monitoram e ajustam muitos qubits ao mesmo tempo em tempo real. Portanto, os componentes não quânticos de um computador quântico são críticos para o seu funcionamento – e ocupam muito espaço e consomem muita energia. Atrás de cada refrigerador alto que abriga qubits, geralmente há vários outros armários altos contendo prateleiras de dispositivos convencionais que consomem muita energia. E há toneladas de fios conectando as partes quânticas e não quânticas de um computador.
Adicionar mais qubits, o que é necessário para tornar um computador mais poderoso, requer mais cabos. “Fisicamente, você não pode continuar adicionando cabos para sempre”, disse ele Shu-Jen Handiretor técnico da SEEQC. Não só o espaço dentro da geladeira é um problema, mas cada cabo transporta calor, o que atrapalha os qubits e prejudica seu desempenho. A forma como os qubits são conectados, controlados, conectados e empacotados pode parecer um aspecto da tecnologia com o qual apenas engenheiros e especialistas precisam se preocupar, mas esse tem sido um dos problemas que impedem o desenvolvimento de computadores quânticos.
O chip SEEQC que estou segurando pode lidar com muito disso.
Chip quântico SEEQC
Karmela Padavic-Callaghan
É como se você estivesse imaginando um chip de computador – pequeno e plano, apresentando um retângulo metálico em cima de outro um pouco maior. Levy explica que os pequenos retângulos contêm qubits supercondutores, enquanto os retângulos maiores contêm chips de computação convencionais feitos de materiais supercondutores que podem controlar esses qubits digitalmente. Por serem ambos supercondutores, podem ser alojados no mesmo refrigerador, eliminando a necessidade de muitos dos dispositivos à temperatura ambiente dos quais os computadores quânticos dependem atualmente.
Não introduzir calor extra no refrigerador é uma vantagem óbvia, mas os chips de controle supercondutores também são muito mais eficientes em termos de energia. O SEEQC projeta que pode alcançar um aumento de bilhões de vezes na eficiência energética dos computadores quânticos. Estimativas da Iniciativa de Energia Quântica mostram que alguns projetos de computadores quânticos grandes e à prova de erros exigirão mais energia do que os supercomputadores convencionais existentes – nomeadamente supercomputadores gigantes que ocupam salas inteiras – e que grande parte desse consumo de energia será devido a componentes de computação clássicos.
Como os dois chips – o chip quântico que realiza a computação e o chip clássico que a controla – podem estar próximos, há menos atraso na transmissão das instruções aos qubits e na forma como os cálculos são lidos e corrigidos se houver erros. Levy também me disse que, como os sinais do chip são digitais, os qubits que ele controla também deveriam ter menos “crosstalk” ou interações indesejadas que os tornassem menos propensos a erros.
Em 2025, conversei com David DiVincenzo, que, há quase 20 anos, propôs sete condições para a construção de um computador quântico funcional que os pesquisadores ainda seguem. Ele me disse que quando imagina um computador quântico útil e poderoso, é um dispositivo de um milhão de qubits que pode consistir em uma sala inteira cheia de máquinas, mais parecido com um colisor de partículas do que com um laptop ou rack em um data center. A equipe da SEEQC busca evitar esse futuro superdimensionado. Para os entusiastas da computação, considere o Mac e não o ENIAC.
A equipe da SEEQC está atualmente testando seus chips em diversas configurações e com qubits criados por seus próprios pesquisadores e de outros fabricantes de computadores quânticos. Levy disse que os testes iniciais mostraram bom desempenho geral, demonstrando a versatilidade do chip. Ao mesmo tempo, todos os testes foram limitados a um pequeno número de qubits, normalmente menos de 10, o que é várias ordens de magnitude menor do que os futuros computadores quânticos práticos que a empresa espera desenvolver.
Também surgem questões de física – os supercondutores têm tendência a ficar cheios de pequenos vórtices quânticos quando existem campos magnéticos próximos, como os usados para sintonizar alguns qubits. Oleg MukhanovO diretor científico da SEEQC me contou sobre um método que a empresa inovou para superar esse problema, no qual o vórtice é varrido por outro campo eletromagnético. Em suma, fui transportado de volta ao meu tempo de pós-graduação e a uma aula de física de supercondutores – mesmo a tecnologia mais futurista não consegue escapar à influência dos efeitos quânticos fundamentais.
O circuito supercondutor poderia acordar e me mandar ainda mais para trás? Pode ser um bom momento para os anos 80 retornarem ao mundo quântico, embora eu desejasse que deixássemos essa porcaria para trás.
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