Tecnologias quânticas de átomos neutros: os componentes de uma nova computação

A computação quântica possui um talento particular: tornar complicadas coisas que, no entanto, podem ser explicadas de forma bastante simples. Qubits, superposição, emaranhamento, estados de Rydberg, coerência, portas quânticas, armadilhas ópticas… O vocabulário torna-se rapidamente intimidante, inclusive para profissionais das tecnologias da informação que não trabalham diretamente com física quântica. Por trás das tecnologias quânticas de átomos neutros encontra-se, no entanto, uma ideia de partida surpreendentemente concreta: pegar átomos de verdade, imobilizá-los com luz, controlar seu estado com lasers e explorar suas propriedades quânticas para processar informação. O átomo torna-se então literalmente um componente do sistema computacional.

Essa abordagem constitui hoje uma das grandes vias exploradas para desenvolver computadores quânticos, ao lado dos circuitos supercondutores, dos íons aprisionados e das tecnologias fotônicas. As tecnologias atômicas interessam igualmente à simulação quântica, aos sensores de altíssima precisão, aos relógios atômicos e a certas tecnologias de comunicação. A Europa, aliás, investe em sua industrialização com o Q-PLANET, um programa coordenado pela empresa francesa Pasqal que visa notadamente ao desenvolvimento de componentes de qualidade industrial para as tecnologias quânticas de átomos neutros. Para compreender por que essa abordagem desperta tanto interesse, é preciso, no entanto, começar pelo componente mais fundamental do sistema: o próprio átomo.

Um átomo é constituído por um núcleo contendo prótons carregados positivamente e nêutrons sem carga elétrica, ao redor do qual se encontram elétrons carregados negativamente. Quando o número de prótons e de elétrons se equilibra, sua carga elétrica global é nula: diz-se que o átomo é neutro. Essa característica permite notadamente distinguir essa tecnologia daquela dos íons aprisionados, na qual se utilizam, ao contrário, átomos dos quais um ou vários elétrons foram retirados ou acrescentados a fim de lhes dar uma carga elétrica. As arquiteturas de átomos neutros podem utilizar elementos como o rubídio ou o estrôncio e explorar diretamente as propriedades naturais desses átomos como suporte físico da informação quântica.

É aí que aparece um dos aspectos mais fascinantes dessa tecnologia. Em várias arquiteturas computacionais, os componentes devem ser fabricados com uma precisão extraordinária e as variações entre eles devem ser dominadas. Com os átomos neutros, parte dessa uniformidade é fornecida pela própria natureza: dois átomos do mesmo isótopo possuem as mesmas propriedades fundamentais. Os engenheiros devem evidentemente conseguir isolá-los, posicioná-los, controlá-los e medi-los com uma precisão notável, mas não precisam fabricar individualmente cada átomo. Essa característica explica em parte o interesse que essa abordagem desperta quando se consideram arquiteturas que eventualmente comportem um número muito grande de qubits.

Resta um problema bastante espetacular: como manipular individualmente algo tão pequeno quanto um átomo? A resposta está em grande parte na luz. Feixes de laser extremamente precisos permitem criar o que os físicos chamam de pinças ópticas, capazes de manter átomos em posições determinadas. Pode-se imaginar uma mesa sobre a qual bolinhas estariam dispostas segundo uma geometria precisa, com a diferença de que as “bolinhas” são aqui átomos individuais e que as pinças que as seguram são feitas de luz. Várias dessas armadilhas podem ser criadas simultaneamente, os átomos podem ser reorganizados e diferentes geometrias podem ser formadas. Os pesquisadores obtêm assim matrizes de átomos controláveis e reconfiguráveis, e trabalhos já permitiram manipular centenas e depois milhares de átomos nesse tipo de arquitetura.

Dispor os átomos evidentemente não basta para fabricar um computador quântico. É preciso em seguida transformar suas propriedades físicas em informação utilizável. Em um computador convencional, o bit possui dois valores possíveis, 0 ou 1. Em um sistema quântico, o qubit constitui a unidade fundamental de informação. Com átomos neutros, certos estados de energia bem determinados podem servir para representar os estados de base do qubit. A mecânica quântica permite igualmente preparar uma superposição desses estados. É preciso, contudo, evitar a imagem simplista segundo a qual um qubit seria simplesmente um bit clássico que seria “0 e 1 ao mesmo tempo”. Seu estado quântico possui amplitudes que determinam as probabilidades dos resultados durante a medição e que podem interferir e ser correlacionadas com as de outros qubits. São essas propriedades que permitem construir cálculos fundamentalmente diferentes daqueles realizados pela computação convencional.

O átomo fornece assim o suporte físico do qubit, enquanto os lasers tornam-se uma parte essencial do sistema de controle. Em um computador clássico, sinais elétricos comandam os transistores. Em uma arquitetura de átomos neutros, a luz permite notadamente resfriar os átomos, aprisioná-los, preparar e modificar seus estados quânticos e efetuar as operações necessárias ao cálculo. Esse domínio deve ser extremamente preciso, já que a informação quântica permanece sensível às interações com seu ambiente. O desafio consiste em preservar por tempo suficiente as propriedades quânticas úteis para efetuar as operações desejadas, controlando ao mesmo tempo os átomos com uma fidelidade suficientemente elevada. Aliás, essa dificuldade não é exclusiva dos átomos neutros: todas as grandes arquiteturas quânticas devem resolver, cada uma à sua maneira, o problema do controle, dos erros e da coerência.

Os átomos neutros apresentam aqui uma particularidade interessante. Quando estão suficientemente afastados uns dos outros, suas interações podem ser relativamente fracas, o que ajuda a preservar sua independência. Ora, um computador quântico também deve poder fazer seus qubits interagirem a fim de efetuar certas operações. Para isso, os pesquisadores utilizam notadamente os estados de Rydberg. Com o auxílio de lasers, um átomo pode ser temporariamente excitado a um estado energético muito elevado no qual seu elétron externo ocupa uma configuração muito mais extensa. Suas propriedades de interação com os átomos vizinhos mudam então consideravelmente. Átomos que se influenciavam muito pouco podem temporariamente interagir de forma muito mais intensa, antes de voltar em seguida a estados menos interativos.

Um fenômeno chamado bloqueio de Rydberg permite explorar essa interação para realizar operações entre qubits. Quando um átomo é excitado a um estado de Rydberg, ele pode modificar as condições que permitem aos átomos vizinhos serem excitados por sua vez. O comportamento de um qubit torna-se assim dependente do estado de outro de uma maneira controlável. Essa interação permite notadamente realizar operações com vários qubits e gerar emaranhamento quântico, um recurso fundamental de numerosos cálculos quânticos. Uma verdadeira arquitetura computacional começa então a aparecer: os átomos fornecem os qubits, as pinças ópticas determinam sua posição, os lasers controlam seus estados e as interações de Rydberg permitem realizar certas operações entre eles.

Essa arquitetura atrai particularmente a atenção em razão de seu potencial de escalabilidade. Em certas tecnologias quânticas, aumentar o número de qubits implica fabricar cada vez mais componentes extremamente precisos e gerenciar suas variações. Os átomos possuem naturalmente uma uniformidade fundamental. O desafio de engenharia desloca-se, portanto, para sua preparação, seu posicionamento, seu controle, sua leitura e a fidelidade das operações. As pinças ópticas permitem igualmente criar geometrias reconfiguráveis em vez de impor necessariamente uma topologia inteiramente fixada na fabricação do processador. Essa flexibilidade pode ser particularmente interessante para certas aplicações de simulação quântica, de otimização e de pesquisa em física.

Seria, contudo, redutor associar as tecnologias de átomos neutros unicamente à construção de computadores quânticos universais. Elas podem igualmente servir para criar simuladores quânticos, isto é, sistemas quânticos controlados utilizados para reproduzir e estudar o comportamento de outros sistemas quânticos difíceis de simular eficazmente com computadores convencionais. Essas capacidades podem notadamente contribuir para a pesquisa em física e em ciência dos materiais. As tecnologias atômicas desempenham igualmente um papel importante na medição de altíssima precisão. As propriedades dos átomos permitem medir o tempo, os campos elétricos ou magnéticos, a aceleração, a gravidade e diferentes fenômenos físicos com uma precisão excepcional. Os relógios atômicos já constituem um exemplo concreto dessa contribuição. As tecnologias atômicas podem assim ser consideradas em torno de três grandes capacidades: calcular, simular e medir, às quais podem somar-se certas aplicações futuras ligadas às comunicações quânticas.

Essa diversidade permite igualmente compreender melhor por que a industrialização da quântica não se resume a fabricar mais qubits. Mesmo quando os qubits são átomos suspensos no vácuo, é preciso criar e controlar precisamente a luz que os manipula, produzir as armadilhas ópticas, estabilizar os lasers, manter o ambiente apropriado, medir os estados quânticos e coordenar o conjunto com sistemas eletrônicos e computacionais clássicos. Um computador quântico de átomos neutros é, portanto, muito mais do que um conjunto de átomos: é uma infraestrutura complexa que associa física atômica, fotônica, óptica, eletrônica, softwares e computação convencional.

É precisamente isso que torna iniciativas como o Q-PLANET particularmente interessantes. O programa europeu coordenado pela Pasqal reúne 28 organismos de pesquisa, empresas e grupos universitários provenientes de 11 Estados membros da União Europeia. Com um programa de cerca de 50 milhões de euros, o objetivo é desenvolver uma linha piloto industrial dedicada aos componentes necessários às tecnologias quânticas de átomos neutros. Sua primeira fase prevê notadamente trabalhos sobre vários tipos de lasers, “atom chips” destinados ao cálculo e aos sensores, bem como células de vapor microfabricadas que podem servir aos relógios atômicos e a diferentes instrumentos de medição.

A importância dessa iniciativa ultrapassa os próprios componentes. Ela demonstra uma evolução fundamental da indústria quântica. A pesquisa fundamental continua essencial, mas outra questão ganha progressivamente importância: como transformar os fenômenos demonstrados nos laboratórios em componentes reprodutíveis, confiáveis, miniaturizados e fabricados com constância suficiente para construir verdadeiros sistemas industriais? Em outras palavras, parte da competição mundial desloca-se progressivamente da demonstração científica para a engenharia, as cadeias de suprimentos, os métodos de fabricação e a integração. Passamos gradualmente da física quântica à engenharia quântica.

Essa evolução permite igualmente corrigir uma imagem frequentemente associada ao computador quântico. Um processador de átomos neutros não se parece com um servidor convencional que se poderia simplesmente encaixar em um rack. Ele exige notadamente um ambiente sob vácuo, sistemas ópticos, vários lasers, equipamentos de controle e uma importante infraestrutura clássica encarregada de pilotar o conjunto. O computador tradicional não desaparece, portanto, com a chegada da quântica. Ele prepara as operações, controla os equipamentos, executa certas partes dos algoritmos, transmite as instruções, recupera os resultados e coordena o recurso quântico.

As infraestruturas computacionais de amanhã serão provavelmente híbridas. Os sistemas clássicos continuarão a executar a imensa maioria dos processamentos, enquanto certas cargas de trabalho poderão ser confiadas a recursos especializados — aceleradores, inteligência artificial, computação de alto desempenho ou recursos quânticos — quando estes proporcionarem uma vantagem pertinente. Essa visão é muito mais realista do que a de uma substituição generalizada dos servidores convencionais por computadores quânticos.

As tecnologias de átomos neutros também devem ser consideradas com a prudência necessária a um domínio ainda em desenvolvimento. Aumentar o número de átomos controlados representa um avanço importante, mas o número de qubits físicos não basta para determinar a utilidade real de uma máquina. A fidelidade das operações, as taxas de erro, a duração durante a qual os estados podem ser mantidos, a eventual perda de átomos, a qualidade do controle e os mecanismos de correção de erros contam igualmente. Um sistema que comporta enormes quantidades de qubits físicos, mas incapaz de controlá-los com precisão suficiente, não se torna automaticamente um computador quântico útil. Os anúncios fundamentados principalmente no número de qubits devem, portanto, ser sempre recolocados em um contexto tecnológico mais amplo.

É preciso igualmente lembrar que os átomos neutros representam uma via entre várias outras. Os processadores supercondutores exploram circuitos elétricos que funcionam a temperaturas extremamente baixas, os íons aprisionados utilizam átomos carregados mantidos por campos eletromagnéticos e as abordagens fotônicas apoiam-se nas propriedades quânticas da luz. Outras arquiteturas exploram notadamente os spins nos semicondutores. Cada uma possui suas vantagens, suas dificuldades e seus domínios potenciais de aplicação. Ainda é cedo demais para determinar qual arquitetura dominará certos usos futuros, e várias tecnologias poderiam perfeitamente coexistir porque atenderão a necessidades diferentes. O panorama atual assemelha-se mais às primeiras décadas da computação, quando várias arquiteturas fundamentais ainda eram exploradas, do que ao mercado maduro e amplamente padronizado que conhecemos hoje.

Para a maioria dos executivos, essa situação evidentemente não significa que seja preciso considerar a compra imediata de um computador quântico de átomos neutros. O interesse estratégico consiste antes em compreender que um novo ecossistema industrial está progressivamente sendo construído. Os investimentos públicos e privados sustentam fabricantes de processadores, especialistas em fotônica, produtores de lasers e de componentes, desenvolvedores de software, centros de computação, bem como futuras infraestruturas híbridas que reúnem computação clássica, HPC, inteligência artificial e quântica. Setores como as finanças, a indústria farmacêutica, os materiais, a energia, a logística, a defesa, o setor aeroespacial e certas indústrias científicas poderiam eventualmente estar entre os primeiros a encontrar aplicações concretas.

Compreender as grandes famílias tecnológicas permite sobretudo evitar duas leituras igualmente enganosas: imaginar a quântica como uma tecnologia quase mágica que transformará imediatamente toda a computação, ou considerá-la como uma curiosidade científica com a qual as organizações não teriam nenhuma razão de se preocupar antes de várias décadas. Entre esses dois extremos encontra-se uma realidade muito mais interessante: tecnologias ainda imperfeitas progridem, componentes começam a se industrializar, cadeias de suprimentos se estruturam e um ecossistema se constrói. Para as organizações, a preparação consiste primeiro em compreender essa evolução, em acompanhar os domínios nos quais ela poderia tornar-se pertinente e em conservar agilidade arquitetural suficiente para poder integrar novas capacidades quando elas atingirem a maturidade necessária.

As tecnologias quânticas de átomos neutros podem parecer extremamente complexas quando descritas com o vocabulário da física, mas seu princípio fundamental permanece surpreendentemente concreto. Átomos eletricamente neutros são resfriados e imobilizados com o auxílio da luz. Alguns de seus estados servem de suporte aos qubits. Lasers permitem controlar esses estados e levar temporariamente os átomos a estados de Rydberg nos quais suas interações tornam-se suficientemente fortes para efetuar certas operações quânticas. Em torno desses átomos constrói-se em seguida toda uma infraestrutura de fotônica, de óptica, de eletrônica, de softwares e de sistemas computacionais clássicos.

É provavelmente nesse nível que iniciativas como o Q-PLANET ganham toda a sua importância. Elas demonstram a passagem progressiva entre um mundo no qual os pesquisadores demonstram o que certos fenômenos quânticos permitem e aquele no qual os engenheiros devem aprender a transformar esses fenômenos em componentes reprodutíveis, confiáveis, integráveis e eventualmente industrializáveis. O desafio não consiste mais unicamente em provar que a tecnologia funciona. É preciso aprender a fabricá-la, controlá-la, integrá-la e fazê-la evoluir.

Para a Quantum Beyond, acompanhar essa evolução inscreve-se em uma compreensão muito mais ampla das infraestruturas digitais que se preparam. A computação quântica, as comunicações quânticas, as tecnologias pós-quânticas, a inteligência artificial e a computação clássica provavelmente não se desenvolverão em universos independentes. Elas formarão progressivamente ambientes híbridos cujas capacidades, dependências, riscos e implicações em matéria de cibersegurança, de arquitetura e de soberania as organizações deverão compreender. Nosso papel consiste em ajudar as organizações a compreender essas transformações, a distinguir as possibilidades reais dos efeitos de anúncio e a preparar arquiteturas capazes de integrar as tecnologias emergentes quando elas criarem valor concreto.

Não é, portanto, necessário tornar-se físico para começar a compreender as tecnologias quânticas de átomos neutros. Uma imagem já permite apreender o essencial: aprendemos a capturar átomos com luz, a alinhá-los, a controlar seus estados e a fazê-los interagir. Tentamos agora transformar esse extraordinário domínio da matéria em uma nova geração de tecnologias.