Um novo caminho se abre para a computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2022

A equipe já está trabalhando com protótipos, mas precisa levar o processo para o padrão industrial.
[Imagem: University of Twente]

Integração eletrônica-fotônica

O braço de ciência e tecnologia da União Europeia aprovou um projeto para tirar do laboratório - rumo às fábricas - uma nova combinação de semicondutores que prometem estabelecer uma ponte entre a eletrônica e a fotônica, a computação com luz.

E essa junção de tecnologias é essencial para a construção dos computadores quânticos, eventualmente permitindo construir o processador quântico inteiro em um único chip.

Embora o silício e o germânio sejam os semicondutores mais bem conhecidos individualmente, em 2020 uma equipe da Universidade de Eindhoven, nos Países Baixos, criou uma liga de silício-germânio hexagonal - em lugar da forma cúbica tradicional desses cristais - que permitiu pela primeira vez pensar em coisas como um laser de silício.

Mas parece que o impacto da descoberta é bem mais forte do que os próprios pesquisadores estimaram a princípio.

Graças à tecnologia do silício, que conhecemos bem dos aparelhos eletrônicos de hoje, os dispositivos quânticos podem ser mais bem protegidos das influências do mundo exterior. Outra vantagem é que eles podem ser dimensionados para sistemas maiores.

Este será o foco do projeto OnChips, uma referência à integração da computação quântica em um chip, lançado agora pela União Europeia para transformar essas possibilidades em realidades.

Tecnologias para a computação quântica

Fazer previsões sobre a melhor tecnologia de fabricação para os computadores quânticos não é fácil: Todas as abordagens têm seus prós e contras.

Alguns dos bits quânticos são bastante grandes, precisam de refrigeração extrema e são muito sensíveis ao ambiente, reduzindo muito a janela temporal para se tirar proveito de suas propriedades quânticas específicas. Outros qubits são mais robustos e menos sensíveis a ruídos, mas não podem ser facilmente ampliados para centenas ou mesmo milhares.

O que todos gostariam seria tirar proveito da escala industrial e dos processos altamente padronizados usados para os processadores semicondutores eletrônicos (CMOS) e passar a fabricar qubits em vez de bits.

E esta passou a ser uma possibilidade real com a combinação de silício e germânio recentemente inventada, permitindo que muitas das vantagens da eletrônica e da fotônica possam vir juntas em um chip.

Comparação entre os hiatos de banda (bandgap) do germânio (esquerda) e do silício (direita).
[Imagem: Adaptado de University of Twente]

Silício-germânio hexagonal

A estrutura hexagonal do silício-germânio tem uma grande vantagem: Ela permite que o silício emita e absorva luz.

Um elétron pode atravessar diretamente uma barreira entre dois níveis de energia, liberando um fóton nesse processo. O silício em si não tem um "cruzamento" direto porque seus níveis de energia não estão diretamente acima um do outro, então o silício em si não é uma boa fonte de luz.

Mas o que o silício não consegue fazer por conta própria, a combinação de silício e germânio pode porque ela apresenta justamente esse "bandgap direto". Desta forma, os fótons podem ser acoplados a elétrons, que devem suas qualidades quânticas ao seu spin, a direção na qual eles giram em torno de seu próprio eixo.

Isso abre possibilidades totalmente novas, por exemplo, combinar as propriedades muito superiores do transporte por meio dos fótons (luz), com o poder de cálculo local dos elétrons. E tudo isso no mesmo chip eletrônico CMOS.

Já estão avançados também os esforços para colocar lasers de silício dentro dos processadores, outra ponte entre a eletrônica e a fotônica.
[Imagem: Nando Harmsen/TU/e]

Do laboratório para a fábrica

Essa abordagem "melhor dos dois mundos" pode levar a novas e empolgantes perspectivas na computação quântica e em inúmeras outras áreas.

Para citar apenas mais um exemplo, a mesma tecnologia pode ser usada para elevar o patamar da eletrônica atual, fazendo-a ascender à spintrônica, viabilizando uma computação baseada no magnetismo, que gasta muito menos energia.

Mas o projeto OnChips foi lançado porque ainda há desafios a vencer. Um deles é que a fabricação da estrutura SiGe hexagonal deve ser feita de uma maneira mais fácil do que a equipe fez no laboratório.

"Nenhuma das nossas ideias nunca foi realizada da maneira que propomos. Nossa pretensão é entender mais sobre as melhores condições para o crescimento dos cristais. Além disso, temos que criar os primeiros qubits de spin e projetar interfaces entre esses qubits de spin e os fótons. A chave fundamental está na compreensão da estrutura dos cristais de silício-germânio," disse o professor Floris Zwanenburg, da Universidade de Twente, que irá liderar o projeto.

O retorno do germânio

Historicamente, é interessante que o germânio possa ser a chave para novos caminhos na computação quântica.

Afinal, o primeiro transístor, inventado em 1947, era feito de germânio. Mas os primeiros circuitos integrados, na década de 1960, já utilizavam silício, que se tornou a base da miniaturização que viabilizou nossos notebooks e celulares.

Mas, em outros materiais avançados, como o germaneno, o germânio está voltando. Em 2020, uma parte do grupo que agora está formando o projeto OnChips demonstrou que transistores de germânio funcionam como qubits para computadores quânticos.

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