A Microsoft tem investido dinheiro na ciência da computação quântica há alguns anos, financiando parte da pesquisa básica que poderia nos permitir produzir computadores com base no fato de que os elétrons podem estar em muitos estados ao mesmo tempo (o que é chamado de "superposição"). ).

Nos computadores que usamos hoje, os elétrons fluem através dos "portões" dos transistores dentro de um processador que está aberto ou fechado - um ou zero em binário - mas o que mais nos interessa é o portão, não o elétron. Com um qubit (abreviação de bit quântico), são os próprios elétrons que armazenam a informação, e isso é um e zero de uma vez, e tudo mais.

Conecte 300 qubits em um computador quântico e eles poderiam armazenar mais informações do que átomos no universo. Além disso, o 'emaranhamento' entre os qubits significa que uma operação em um computador quântico faz a mesma quantidade de computação real que muitas operações normais, portanto, os programas são executados muito mais rapidamente.

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Grandes problemas

Mas há alguns grandes problemas no caminho do progresso quando se trata de fazer esses pequenos dispositivos de computação. Ou seja, como manter o controle da física da matéria exótica o suficiente para criar um qubit confiável que não perca o resultado de sua computação antes que você possa recuperá-lo, sem mencionar a conexão de mais de alguns deles em um sistema completo. e mantê-lo muito frio enquanto você o executa.

A maioria das pessoas que lidam com computação quântica está olhando para qubits supercondutores, mas a Microsoft está adotando uma abordagem completamente diferente.

Chefe de pesquisa da Microsoft, Peter Lee

“Imagine colocar milhares de tops em uma academia e fazê-los girar de uma só vez, em uma configuração complicada - com alguns deles girando no sentido horário e outros girando no sentido anti-horário,” Peter Lee, chefe de pesquisa da Microsoft, disse ao TechRadar. “Para qubits supercondutores, temos o conhecimento de engenharia para fazer isso, com o tempo. É uma conquista de engenharia notável que o mundo saiba como fazer isso. Mas não é estável; dentro de dezenas de microssegundos desmorona.” E quanto mais qubits você adicionar, pior será o problema.

Em vez disso, a Microsoft está apostando em qubits topológicos, que não usam as propriedades do elétron - que podem ser alteradas pela menor interação com o que está ao seu redor, como o campo elétrico de qualquer eletrônica próxima - mas a ordem na qual alguns partículas muito exóticas chamadas férmions de Majorana ou anyons, mudam de posição.

“Sob condições de fluxo magnético,” explica Lee, “eles orbitam em certos padrões, e se você os imaginar arrastando um fio atrás deles enquanto eles orbitam um ao redor do outro, eles trançam esse fio em um padrão - e o padrão do entrelaçamento codifica a computação quântica. Poderia haver muito barulho e mexer na órbita, pode ser uma órbita feia - mas é definitivamente orbitar em um padrão claro.”

Qubits supercondutores ainda têm muito potencial, diz Lee, mas qubits topológicos podem ultrapassá-los. “Os qubits supercondutores são para a computação quântica o que os tubos de vácuo são para os computadores digitais - mas os qubits topológicos são para a computação quântica o que os transistores são para a computação digital. Quando estávamos construindo computadores a partir de tubos de vácuo, eles eram muito úteis - você poderia computar uma melhor trajetória de mísseis - mas nunca seria uma tecnologia escalável.”

Da teoria à engenharia

Anyons foram concebidos por um físico italiano, Ettore Majorana, na década de 1930, em seguida, um professor de física chamado Alexei Kitaev “tropeçou sobre eles décadas mais tarde e percebeu se eles existiam, você poderia usá-los para fazer computação quântica,” diz Lee.

Outro prodígio da matemática, Michael Freedman, pensava na teoria dos nós como uma forma de fazer um computador quântico; quando ele se juntou à Microsoft Research em 1997, ele se juntou a Kitaev. Em 2004, Freedman estava convencido de que seria possível construir qubits topológicos - contanto que os anyons fossem reais.

Ele foi para Craig Mundie, que estava executando a estratégia de pesquisa da Microsoft - Mundie não apenas contratou mais físicos teóricos, ele financiou seis laboratórios acadêmicos experimentais em todo o mundo para realizar experimentos para provar, de uma forma ou de outra, se eles existem.

Um laboratório na Holanda encontrou algo com as propriedades certas em 2011, depois outro na Holanda em 2012. “De repente, lá estava, e você poderia começar a sonhar com a possibilidade de construir qubits com essa proteção topológica,” enthuses Lee.

A teoria da margem havia se tornado dominante. Em 2014, os matemáticos e físicos teóricos da Estação Q - o laboratório de pesquisa quântica da Microsoft, instalado em Santa Bárbara em 2006 - conseguiram alguns novos colegas. O grupo Quantum Architectures and Computation da Microsoft é liderado por Burton Smith - co-fundador da Cray, a empresa original de supercomputação - e Doug Carmean, arquiteto dos principais chips Intel como o Pentium 4 eo Nehalem Core i5 e i7 (os primeiros chips a use portões de metal com alto teor de K), então eles têm muita experiência trabalhando no limite do que você pode fazer com o silício.

E agora eles se juntaram a Todd Holmdahl. O novo vice-presidente corporativo da Microsoft para quantum tem sido responsável pelo lançamento de produtos como Xbox e Kinect, e ele trouxe a bordo pessoas-chave da Microsoft como Alex Kipman, Kudo Tsunoda e Steven Bathiche, então seu novo trabalho é um sinal de que a Microsoft acredita que a possibilidade tornar-se realidade.

“Eu não acho que há um momento decisivo, mas estamos neste ponto de inflexão entre ciência e engenharia,” Holmdahl disse à TechRadar, dando três razões por que ele acha que é hora de passar da pesquisa para a engenharia, mesmo que muitos dos problemas estejam longe de serem resolvidos..

“Temos uma linha muito boa de linha de visão para controlar um qubit topológico - temos enfatizado aqueles nos últimos dez anos e mais porque acreditamos que eles terão um tempo de coerência maior, eles estarão imunes ao ruído e nos permitirão escalar muito mais rápido. Acreditamos que estamos chegando perto de controlar isso.”

“A segunda grande coisa é que trabalhamos com um número de produtores que cultivam os materiais para nós e construímos os dispositivos, e estamos descobrindo que podemos fazer isso muito mais rapidamente do que no passado..” Isso significa que a Microsoft pode experimentar novas ideias para fazer e conectar qubits mais rapidamente, também. “À medida que passamos pelo processo de engenharia, é uma enorme vantagem poder passar pela fase de prototipagem de forma rápida.”

A Microsoft já é capaz de produzir nanofios para qubits "relativamente rápido", mas está passando para processos de gás de elétrons em 2D, o que poderia significar que, no futuro, os qubits de fabricação poderiam ser feitos na mesma velocidade que os transistores. Isso significa protótipos em um período de semanas “e depois vários meses para o tempo de produção,” Holmdahl sugere. “Em última análise, acredito que algo assim será a solução que nos permite escalar o mais rápido no futuro.” Novamente, essa é a Microsoft tomando uma direção diferente da maioria das outras equipes que trabalham com computação quântica.

“A terceira área é que o design e a arquitetura que estamos construindo parecem ser muito escalonáveis ​​e criamos um roteiro para o futuro do que nosso computador quântico pode parecer. Não só temos uma ideia de como é um qubit, mas também de como são centenas e milhares deles - como eles serão definidos, como poderemos controlá-los, como poderemos ter eles conversam entre si.”

Computador inteiro

A computação quântica precisa mais do que apenas qubits; ele precisa de um computador inteiro e um modelo de programação para ele. “A física, os qubits, são apenas uma parte disso,” Holmdahl aponta. “Uma das belezas de trabalhar na Microsoft é que temos acesso a outras coisas que são muito importantes - o computador clássico que precisaremos para controlar os qubits, temos acesso ao software que vai rodar naquele computador clássico, nós temos acesso aos aplicativos que farão as coisas incríveis que existem na computação quântica, esses problemas intratáveis. Estamos trabalhando em todos esses.”

“Estamos mais do que duplicando nossos recursos em que estamos investindo nisso. Estamos adicionando mais recursos de pesquisa, estamos adicionando recursos adicionais de engenharia para ajudá-los. Estamos adicionando muito mais pessoas, estamos adicionando dólares para equipamentos e estamos adicionando foco.

“Já fiz isso algumas vezes, com o Kinect e o HoloLens, e acredito que estamos colocando a quantidade certa de recursos que nos dão a melhor chance de conseguir algo no tempo certo. Eu sempre aposto grande na tecnologia que nós seremos capazes de descobrir muitas das questões que precisamos descobrir para torná-lo amplamente disponível.”