A tecnologia quântica está rapidamente avançando além de experimentos controlados em laboratório e entrando em uso prático. De acordo com um novo artigo publicado na Science, o campo atingiu uma fase crítica que espelha a era inicial da computação clássica, antes que a invenção do transistor remodelasse a tecnologia moderna.
O artigo foi escrito por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade de Stanford, do Massachusetts Institute of Technology, da Universidade de Innsbruck na Áustria e da Delft University of Technology nos Países Baixos. Ele examina o estado atual do hardware de informação quântica e destaca as principais oportunidades e obstáculos envolvidos na construção de computadores quânticos escaláveis, redes de comunicação e sistemas de detecção.
“Este momento transformador na tecnologia quântica é reminiscentes dos primeiros dias do transistor”, disse o autor principal David Awschalom, Professor da Família Liew de engenharia molecular e física na Universidade de Chicago, e diretor do Chicago Quantum Exchange e do Chicago Quantum Institute. “Os conceitos fundamentais da física estão estabelecidos, sistemas funcionais existem e agora devemos cultivar as parcerias e esforços coordenados necessários para alcançar o potencial total em escala de utilidade da tecnologia. Como enfrentaremos os desafios do dimensionamento e das arquiteturas quânticas modulares?”
De Experimentos de Laboratório a Usos Práticos Iniciais
Nos últimos dez anos, as tecnologias quânticas progrediram de experimentos de prova de conceito para sistemas capazes de suportar aplicações iniciais em comunicação, detecção e computação. Os autores atribuem esse progresso rápido à colaboração estreita entre universidades, agências governamentais e a indústria, a mesma combinação de parcerias que ajudou a maturar a microeletrônica no século XX.
Comparando as Plataformas de Hardware Quântico de Hoje
O estudo revisa seis grandes plataformas de hardware quântico: qubits supercondutores, íons aprisionados, defeitos de spin, pontos quânticos semicondutores, átomos neutros e qubits fotônicos ópticos. Para comparar o quanto cada plataforma avançou em computação, simulação, redes e detecção, os pesquisadores utilizaram grandes modelos de linguagem de IA, como o ChatGPT e o Gemini, para estimar os níveis de prontidão tecnológica (TRL).
Os TRLs medem a maturidade de uma tecnologia, utilizando uma escala de 1 (princípios básicos observados em um ambiente de laboratório) a 9 (provado em um ambiente operacional). Um TRL mais alto não significa necessariamente que uma tecnologia está próxima do uso generalizado, mas sim que demonstrou uma funcionalidade de sistema mais completa.
A análise fornece uma visão do estado atual do campo. Embora alguns protótipos avançados já possam operar como sistemas completos e estejam acessíveis por meio de plataformas de nuvem pública, seu desempenho geral ainda é limitado. Muitas aplicações de alto impacto, incluindo simulações de química quântica em larga escala, podem exigir milhões de qubits físicos com taxas de erro muito além do que a tecnologia atual pode suportar.
Por Que a Prontidão Tecnológica Precisa de Contexto
Avaliar a prontidão sem uma perspectiva histórica pode ser enganoso, explicou o coautor William D. Oliver, Professor de engenharia elétrica e ciência da computação, professor de física e diretor do Centro de Engenharia Quântica do MIT.
“Embora os chips semicondutores na década de 1970 fossem TRL-9 para aquele tempo, eles podiam fazer muito pouco em comparação com os circuitos integrados avançados de hoje”, disse ele. “Da mesma forma, um TRL alto para tecnologias quânticas hoje não indica que o objetivo final foi alcançado, nem que a ciência está concluída e apenas a engenharia permanece. Ao contrário, isso reflete uma demonstração significativa, embora relativamente modesta, em nível de sistema que foi alcançada – uma que ainda precisa ser substancialmente melhorada e escalada para realizar toda a promessa.”
Desafios de Escalabilidade e Lições da História da Computação
Entre as plataformas estudadas, os qubits supercondutores obtiveram a melhor pontuação para computação quântica, os átomos neutros lideraram em simulação quântica, os qubits fotônicos classificaram-se como os melhores para redes quânticas, e os defeitos de spin apresentaram o melhor desempenho em detecção quântica.
Os autores identificam vários obstáculos principais que devem ser superados para que os sistemas quânticos escalem efetivamente. Avanços na ciência dos materiais e na fabricação são necessários para produzir dispositivos consistentes e de alta qualidade que possam ser fabricados de forma confiável e em escala. A fiação e entrega de sinal continuam sendo grandes desafios de engenharia, uma vez que a maioria das plataformas ainda depende de linhas de controle individuais para cada qubit. Simplesmente adicionar mais fiação torna-se impraticável à medida que os sistemas se aproximam de milhões de qubits. (Problemas semelhantes foram enfrentados na década de 1960 por engenheiros de computação, conhecidos como a tirania dos números.) O gerenciamento de energia, controle de temperatura, calibração automatizada e coordenação em nível de sistema apresentam desafios adicionais que crescerão à medida que os sistemas quânticos se tornem mais complexos.
O artigo traça paralelos com a longa linha do tempo de desenvolvimento da eletrônica clássica. Muitas inovações transformadoras, incluindo técnicas de litografia e novos materiais de transistor, levaram anos ou até décadas para passar de laboratórios de pesquisa para a produção industrial. Os autores argumentam que a tecnologia quântica provavelmente seguirá um caminho semelhante. Eles enfatizam a necessidade de um design de sistema de cima para baixo, colaboração científica aberta que evite a fragmentação precoce e expectativas realistas.
“A paciência tem sido um elemento-chave em muitos desenvolvimentos marcantes”, escrevem eles, “e aponta para a importância de moderar as expectativas de cronograma nas tecnologias quânticas.”
