A Microsoft anunciou hoje que fez progressos significativos em sua busca de 20 anos para fabricar bits quânticos topológicos, ou qubits—a abordagem especial para construir computadores quânticos que poderia torná-los mais estáveis e mais fáceis de ampliar.
Pesquisadores e empresas vêm trabalhando há anos para construir computadores quânticos, os quais poderiam desbloquear novas e dramáticas capacidades para simular materiais complexos e descobrir novos, entre muitas outras aplicações possíveis.
Para atingir esse potencial, entretanto, precisamos construir sistemas grandes o suficiente que sejam estáveis para realizar cálculos. Muitas das tecnologias exploradas atualmente, como os qubits supercondutores perseguidos pelo Google e pela IBM, são tão delicadas que os sistemas resultantes necessitam de muitos qubits extras para corrigir erros.
A Microsoft vem trabalhando há muito tempo em uma alternativa que pode reduzir essa sobrecarga utilizando componentes muito mais estáveis. Esses componentes, chamados de quasipartículas Majorana, não são partículas reais. Em vez disso, são padrões especiais de comportamento que podem surgir em determinados sistemas físicos e sob certas condições.
A busca não tem sido isenta de contratempos, inclusive com a retratação de um artigo de alto perfil por pesquisadores associados à empresa em 2018. No entanto, a equipe da Microsoft, que desde então internalizou esse esforço de pesquisa, afirma que agora está no caminho para construir um computador quântico tolerante a falhas contendo alguns milhares de qubits em questão de anos e que possui um projeto para fabricar chips com cerca de um milhão de qubits cada, um alvo aproximado que pode ser o ponto em que esses computadores realmente comecem a mostrar seu poder.
A empresa anunciou alguns sucessos iniciais nesse caminho: aproveitando um artigo publicado na Nature, que descreve uma validação fundamental do sistema, a empresa afirma que vem testando um qubit topológico e que conectou um chip contendo oito deles.
— “Você não chega a um milhão de qubits sem muito sangue, suor e lágrimas, e sem resolver muitos desafios técnicos realmente difíceis ao longo do caminho. E eu não quero subestimar nada disso”, diz Chetan Nayak, membro técnico da Microsoft e líder da equipe pioneira nessa abordagem. Dito isso, ele afirma: “Acredito que temos um caminho no qual realmente acreditamos, e vemos uma linha de visão.”
Pesquisadores externos à empresa estão cautelosamente otimistas. “Estou muito satisfeito que [essa pesquisa] pareça ter alcançado um marco muito importante”, diz o cientista da computação Scott Aaronson, que lidera o Quantum Information Center da Universidade do Texas em Austin. “Espero que isso se consolide, e que seja desenvolvido ainda mais.”
Par e ímpar
O primeiro passo para construir um computador quântico é criar qubits que possam existir em estados quânticos frágeis — não 0s e 1s, como os bits dos computadores clássicos, mas sim uma mistura dos dois. Manter os qubits nesses estados e conectá-los entre si é um trabalho delicado, e ao longo dos anos uma quantidade significativa de pesquisas foi dedicada ao refinamento dos esquemas de correção de erros para compensar o hardware ruidoso.
Por muitos anos, tanto teóricos quanto experimentadores têm se mostrado intrigados pela ideia de criar qubits topológicos, os quais são construídos por meio de torções e voltas matemáticas e possuem proteção contra erros essencialmente incorporada em sua física. “Tem sido uma ideia tão atraente para as pessoas desde o início dos anos 2000”, diz Aaronson. “O único problema é que isso requer, de certa forma, a criação de um novo estado da matéria que nunca foi visto na natureza.”
A Microsoft tem buscado sintetizar esse estado, chamado férmion de Majorana, na forma de quasipartículas. O Majorana foi proposto pela primeira vez há quase 90 anos como uma partícula que é sua própria antipartícula, o que significa que dois Majoranas se aniquilarão quando se encontrarem. Com as condições e configuração física adequadas, a empresa espera obter um comportamento que corresponda ao do férmion de Majorana dentro dos materiais.
Nos últimos anos, a abordagem da Microsoft tem se concentrado em criar um fio muito fino, ou “nanofio”, a partir de arseneto de índio, um semicondutor. Esse material é colocado em estreita proximidade com o alumínio, que se torna supercondutor próximo ao zero absoluto e pode ser usado para induzir supercondutividade no nanofio.
Normalmente, é improvável encontrar elétrons não emparelhados circulando em um supercondutor — os elétrons tendem a se emparelhar. Mas, sob as condições certas no nanofio, é teoricamente possível que um elétron se oculte, com cada metade se posicionando em uma extremidade do fio. Se essas entidades complexas, chamadas modos zero de Majorana, puderem ser coaxadas à existência, elas serão difíceis de destruir, tornando-se intrinsecamente estáveis.
“Agora você pode ver a vantagem”, diz Sankar Das Sarma, físico teórico da Universidade de Maryland que realizou os primeiros trabalhos sobre esse conceito. “Você não pode destruir meio elétron, certo? Se você tentar destruir meio elétron, isso significa que apenas meio elétron restará. Isso não é permitido.”
Em 2023, a equipe da Microsoft publicou um artigo na revista Physical Review B afirmando que esse sistema havia passado por um protocolo específico projetado para avaliar a presença de modos zero de Majorana. Na Nature, os pesquisadores relataram que conseguem “ler” as informações nesses nanofios — especificamente, se há modos zero de Majorana ocultos nas extremidades dos fios. Se houver, isso significa que o fio possui um elétron extra, não emparelhado.
“O que fizemos no artigo da Nature foi mostrar como medir a paridade — ou seja, se há um número par ou ímpar de elétrons”, diz Nayak. “Para conseguir dizer se há 10 milhões ou 10 milhões e um elétrons em um desses fios.” Esse é um passo importante por si só, pois a empresa pretende usar esses dois estados — um número par ou ímpar de elétrons no nanofio — como os 0s e 1s em seus qubits.
Se essas quasipartículas existirem, deverá ser possível “entrelaçar” os quatro modos zero de Majorana em um par de nanofios, fazendo medições específicas em uma ordem determinada. O resultado seria um qubit com uma mistura desses dois estados, par e ímpar. Nayak afirma que a equipe já fez exatamente isso, criando um sistema quântico de dois níveis, e que está atualmente elaborando um artigo com os resultados.
Pesquisadores fora da empresa dizem que não podem comentar os resultados dos qubits, já que esse artigo ainda não está disponível. Contudo, alguns têm declarações esperançosas sobre os achados publicados até o momento. “Acho isso muito encorajador”, diz Travis Humble, diretor do Quantum Science Center no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. “Ainda não é suficiente para afirmar que eles criaram qubits topológicos. Ainda há mais trabalho a ser feito”, ressalta. Mas “este é um bom primeiro passo para validar o tipo de proteção que eles esperam criar.”
Outros são mais céticos. O físico Henry Legg, da Universidade de St Andrews, na Escócia, que anteriormente criticou a Physical Review B por publicar o artigo de 2023 sem dados suficientes para que os resultados fossem reproduzidos de forma independente, não está convencido de que a equipe esteja observando evidências de modos zero de Majorana em seu artigo na Nature. Ele afirma que os testes iniciais da empresa não o colocaram numa base sólida para fazer tais afirmações. “O otimismo definitivamente está presente, mas a ciência não está”, diz ele.
Uma complicação potencial são as impurezas no dispositivo, que podem criar condições que se assemelham a partículas Majorana. Mas Nayak afirma que as evidências só se fortaleceram à medida que a pesquisa avançava. “Isso nos dá confiança: estamos manipulando dispositivos sofisticados e vendo resultados consistentes com uma interpretação Majorana”, diz ele.
“Eles satisfizeram muitas das condições necessárias para um qubit Majorana, mas ainda há algumas caixas a serem marcadas”, disse Das Sarma após ver os resultados preliminares do qubit. “O progresso tem sido impressionante e concreto.”
Escalando
Aparentemente, os esforços topológicos da Microsoft parecem lamentavelmente atrasados no mundo da Computação Quântica — a empresa está apenas agora trabalhando para combinar qubits em números de um dígito, enquanto outros já agruparam mais de 1.000. Mas tanto Nayak quanto Das Sarma afirmam que outros esforços tiveram uma vantagem significativa porque envolviam sistemas que já tinham uma base sólida na física. O trabalho com o qubit topológico, por outro lado, significou começar do zero.
“Realmente estávamos reinventando a roda”, diz Nayak, comparando os esforços da equipe aos primeiros dias dos semicondutores, quando havia muito a se descobrir sobre o comportamento dos elétrons e dos materiais, e transistores e circuitos integrados ainda precisavam ser inventados. É por isso que esse caminho de pesquisa tem durado quase 20 anos, diz ele: “É o programa de P&D mais longo da história da Microsoft.”
Algum apoio da Defense Advanced Research Projects Agency dos EUA pode ajudar a empresa a alcançar o mesmo nível. A Microsoft foi selecionada como uma das duas empresas para continuar o trabalho no design de um sistema ampliado, por meio de um programa focado em abordagens pouco exploradas que podem levar a computadores quânticos em escala de utilidade — aqueles cujos benefícios superam seus custos. A outra empresa selecionada é a PsiQuantum, uma startup que tem como objetivo construir um computador quântico contendo até um milhão de qubits usando fótons.
Muitos dos pesquisadores com quem a MIT Technology Review conversou ainda gostariam de ver como esse trabalho se desenrola em publicações científicas, mas estão esperançosos. “A maior desvantagem do qubit topológico é que ele ainda é meio que um problema de física”, diz Das Sarma. “Se tudo o que a Microsoft está afirmando hoje estiver correto… então talvez, neste exato momento, a física esteja chegando ao fim, e a engenharia possa começar.”
Esta história foi atualizada com a atual afiliação institucional de Henry Legg.
Rachel Courtland
