Intel resolve um dos maiores gargalos da computação quântica

Era dezembro de 2019 quando a Intel divulgou os primeiros detalhes do chip de controle criogênico Horse Ridge. Espera-se que o projeto contribua para o desenvolvimento da computação quântica. Como? Nesta semana, a companhia revelou ter conseguido comprovar que o chip cumpre a promessa de atenuar um dos limitadores dos computadores quânticos: o gargalo de interconexão.

Chip Horse Ridge (imagem: divulgação/Intel)

Na atual fase, chips quânticos precisam operar em temperaturas muito baixas, frequentemente, na casa dos 20 milikelvin, medida que equivale a -273 graus Celsius (zero absoluto). Para atingir níveis tão baixos de temperatura, esses chips são submetidos a câmaras de refrigeração criogênica.

Por outro lado, os complexos componentes eletrônicos que permitem a manipulação ou a leitura de estado dos qubits do chip pelos pesquisadores são operados em temperatura ambiente.

Além disso, a conexão desses componentes aos qubits deve ser feita por meio de um fio único para cada um deles, do contrário, haverá prejuízo ao desempenho e outros problemas.

Em tempo, qubit é uma simplificação de bit quântico. A computação tradicional tem como base o bit, que representa o valor 0 ou 1 no modelo simbólico criado para facilitar a nossa compreensão. Já um qubit pode assumir 0, 1 ou uma superposição de ambos os valores.

Essa lógica deve permitir aos computadores quânticos resolverem em minutos problemas de áreas como inteligência artificial que, de tão complexos, demandariam até anos para serem solucionados pela computação tradicional.

A diferença de temperatura entre o chip e os demais componentes eletrônicos é um gargalo importante porque dificulta a manipulação dos qubits. Para piorar, essa limitação tende a aumentar à medida que mais qubits são adicionados ao chip por conta da quantidade de fios necessária para conectar cada um deles.

Não por acaso, o problema ficou conhecido como “gargalo de interconexão” ou “gargalo de fiação”.

Câmara de resfriamento para computação quântica (imagem: divulgação/Intel)

O chip Horse Ridge

Desenvolvido pela Intel em conjunto com a QuTech (organização oriunda da parceria entre Universidade Técnica de Delft e Organização Holandesa para Pesquisa Científica Aplicada), o Horse Ridge foi apresentado no final de 2019 como uma tentativa de solucionar o tal gargalo.

O chip foi construído com base na tecnologia FinFET de 22 nanômetros da própria Intel. A segunda geração do chip foi apresentada em 2020. Testes foram conduzidos desde então para avaliar se o Horse Ridge corresponde às expectativas. Os resultados são animadores:

Os resultados da nossa pesquisa, conduzida em parceria com a QuTech, provam quantitativamente que nosso controlador criogênico, Horse Ridge, pode alcançar os mesmos resultados de alta fidelidade que os eletrônicos em temperatura ambiente ao mesmo tempo em que controlam vários qubits de silício.

Intel

Stefano Pellerano, engenheiro que lidera a Intel Labs, explica a relevância desse avanço:

Fazer os controles eletrônicos operarem em alta fidelidade em temperaturas criogênicas é a chave para superarmos o que é conhecido como “gargalo de interconexão ou fiação”.

Stefano Pellerano, engenheiro líder da Intel Labs

Edoardo Charbon, pesquisador da QuTech que atua no projeto, complementa:

“Como componentes eletrônicos operam de maneiras muito distintas em temperaturas criogênicas, usamos técnicas especiais no design do chip para garantir o seu correto funcionamento e manipular qubits com alta precisão”.

Edoardo Charbon, pesquisador da QuTech

No mesmo trabalho, a Intel conseguiu demonstrar com sucesso a multiplexação de frequência com um único fio para controlar dois qubits.

Por que isso é importante? Hoje, cada qubit é controlado com um fio próprio, como já ficou claro. O problema é que, com o esperado aumento progressivo da quantidade de qubits em um chip quântico, essa abordagem se tornará mais difícil.

Hoje, chips quânticos têm apenas algumas dezenas de qubits; mas, no futuro, imagine ter milhões de fios em um chip com milhões de qubits. Controlar mais de um qubit com um único fio é uma necessidade, portanto.

A Intel espera que a pesquisa possibilite que, nas próximas fases, o chip de controle criogênico possa ser combinado com qubits em uma matriz única (da mesma forma que podemos ter GPU e CPU no mesmo módulo, por exemplo).

Uma solução como essa pode abrir caminho para a “escalabilidade quântica”, isto é, para chips quânticos com números cada vez maiores de qubits.

Os resultados do trabalho foram publicados na revista científica Nature.

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