Investigadores da Universidade Técnica de Delft, nos Países Baixos, apresentaram uma nova arquitetura para processadores quânticos que multiplica a densidade de qubits e simplifica a sua caracterização. O conceito, batizado de Qarpet (sigla em inglês para “plataforma de pesquisa de matrizes de qubits para engenharia e testes”), permite reunir potencialmente até dois milhões de qubits em cada milímetro quadrado de silício, usando técnicas compatíveis com a indústria de semicondutores.
Arquitetura modular facilita escalabilidade
O ponto central da proposta é a organização dos qubits em blocos repetitivos, alinhados em forma de grade. Cada bloco reúne dois qubits de spin semicondutor e um sensor de carga, formando uma unidade independente que pode ser medida sem interferir nas vizinhas. Ao cruzar múltiplos eletrodos sobre a pastilha, os engenheiros criam um leiaute de barra transversal, no qual linhas e colunas partilham os mesmos condutores de controle. Essa configuração reduz drasticamente a quantidade de cabos necessária entre o chip que opera em temperaturas criogénicas e a eletrônica clássica responsável pelos comandos.
Em arquiteturas quânticas tradicionais, o número de linhas de controle costuma crescer na mesma proporção da quantidade de qubits, gerando um emaranhado de conexões que limita qualquer tentativa de expansão. No esquema proposto, a contagem de cabos aumenta de forma logarítmica: à medida que a matriz se expande, adicionam-se apenas algumas linhas de controle para gerir blocos inteiros. Segundo a equipa, a abordagem elimina um dos principais gargalos que travam a passagem de protótipos com algumas dezenas de qubits para processadores com milhares de unidades funcionais.
O professor Giordano Scappucci, que lidera o projeto, compara a solução ao modo como a indústria desenha memórias DRAM. Nessas memórias, células de bits são organizadas em linhas e colunas que partilham fios de seleção, permitindo endereçar qualquer posição com um conjunto mínimo de sinais. “Com o Qarpet, os processadores quânticos começam a assemelhar-se aos circuitos semicondutores convencionais, tanto na densidade de componentes quanto na lógica de interconexão”, salientou o investigador.
Protótipo demonstra densidade inédita de qubits
Para provar o conceito, os cientistas fabricaram um chip em liga de germânio/silício-germânio (Ge/SiGe). O protótipo integra uma matriz de 23 por 23 blocos repetitivos, totalizando 529 células duplas e capacidade teórica para 1 058 qubits. Apesar da elevada contagem, todo o sistema necessita apenas de 53 linhas de controle externas, um ganho expressivo sobre alternativas que exigiriam cabos individuais para cada qubit.
Os testes iniciais, conduzidos em ambiente criogénico, demonstraram que os módulos podem ser endereçados e lidos de forma seletiva, sem crosstalk significativo. Isso confirma que a separação lógica entre os blocos preserva a coerência quântica necessária para operações de computação. A equipa realça que, mesmo sem alterar o desenho de base, matrizes maiores podem ser produzidas repetindo o padrão em escala de wafers, processo já consolidado na fabricação de chips CMOS.
O resultado mais vistoso do estudo é a densidade potencial de dois milhões de qubits por milímetro quadrado. Esse valor deriva da área ocupada por cada bloco, inferior a 500 nanômetros quadrados, e da possibilidade de empilhar camadas de controle. Para comparação, computadores quânticos comerciais que usam íons aprisionados ou circuitos supercondutores alcançam densidades muito menores e requerem laboratórios volumosos para abrigar fontes de laser ou tubulações de hélio líquido.
Além do ganho de escala, o Qarpet foi projetado para acelerar a fase de caracterização dos qubits. Como todos os módulos operam sob idênticas condições de temperatura e interferência eletromagnética, as medições podem ser automatizadas. Basta selecionar um endereço na grade para extrair parâmetros como tempo de coerência, fidelidade de porta lógica e resposta a ruído externo. A automatização reduz o intervalo entre design, fabricação e validação, elemento crucial para iterar melhorias de arquitetura.
Outro ponto de destaque é a compatibilidade com distintas famílias de qubits. Embora o protótipo empregue qubits de spin em germânio — tecnologia reconhecida pela longa coerência e facilidade de integração com transístores CMOS —, o layout em barra transversal pode ser adaptado para qubits em silício puro ou mesmo para dispositivos que usem elétrons confinados em pontos quânticos de arseneto de gálio. A flexibilidade, segundo Scappucci, abre caminho para comparar rapidamente vários tipos de materiais dentro do mesmo arranjo de testes.
Imagem: Tecnologia e Inovação
Desafios para a próxima etapa
Apesar dos resultados promissores, a transição do protótipo para processadores quânticos totalmente operacionais exige superar obstáculos técnicos. Entre eles estão a implementação de portas lógicas universais com taxas de erro inferiores a um em dez mil operações e o desenvolvimento de métodos de correção de erros quânticos compatíveis com a topologia da grade. A equipa de Delft afirma que o design modular facilita a incorporação de códigos de superfície, nos quais cada qubit lógico é distribuído por várias unidades físicas, mas reconhece que a eletrônica de atalho ainda deve evoluir para suportar pulsos de controle em larga escala.
Outro desafio reside na integração dos sensores de carga e nos circuitos de leitura em níveis de ruído suficientemente baixos. A detecção de estados de spin em semicondutores requer amplificadores sensíveis posicionados o mais próximo possível dos qubits, o que impõe restrições de espaço e de dissipação térmica. Soluções em desenvolvimento incluem a migração de parte da eletrônica de leitura para temperaturas intermediárias e o uso de multiplexação de frequência, prática que pode multiplicar a quantidade de canais analisados por um único fio coaxial.
Embora o calendário para inserção comercial não tenha sido divulgado, as aplicações em curto prazo concentram-se em laboratórios de pesquisa. A possibilidade de testar centenas de qubits num único ciclo de resfriamento permite identificar rapidamente defeitos de fabricação, parâmetros de ajuste e limitações de desenho. Essa capacidade acelera a curva de aprendizagem e pode influenciar empresas que buscam prototipar processadores quânticos compatíveis com linhas de produção de 300 milímetros.
Impacto potencial para o setor de semicondutores
A adoção de uma arquitetura inspirada em chips clássicos gera sinergias diretas com a infraestrutura existente de litografia, deposição e metrologia. Fábricas que hoje produzem processadores e memórias podem, em teoria, ajustar máscaras e processos para fabricar matrizes de qubits, minimizando investimentos adicionais. Em paralelo, o modelo de barra transversal reduz o custo de interligação, já que menos cabos criogénicos significam economias consideráveis em sistemas de refrigeração e de controle de sinais de alta frequência.
Especialistas do setor apontam que inovações como o Qarpet tendem a aproximar a computação quântica de aplicações práticas, como modelagem molecular, otimização logística e criptografia pós-quântica. Não obstante, sublinham que a etapa crucial será demonstrar operações estáveis em matrizes de algumas centenas de qubits conectados entre si, com fidelidades suficientes para superar algoritmos clássicos equivalentes. A equipe de Delft planeia divulgar resultados adicionais à medida que ampliar a matriz e implementar portas quânticas de dois qubits, requisito para executar algoritmos universalmente.
Ao combinar densidade recorde, modularidade e compatibilidade com processos industriais, o chip desenvolvido na Universidade Técnica de Delft estabelece um marco na corrida por processadores quânticos escaláveis. Se os próximos testes confirmarem a viabilidade da arquitetura em escala maior, a proposta pode influenciar o desenho de futuras gerações de computadores quânticos, aproximando o setor das metas de milhares ou milhões de qubits funcionais num único dispositivo.
