Muito antes de me dedicar diariamente à construção dos blocos fundamentais da computação quântica, os chamados qubits (bits quânticos), eu já aprendia nas plantações da minha família no interior do semiárido baiano, lições valiosas sobre a fabricação de estruturas em escala micro e nanoscópica. E por isso quero compartilhar com você, caro(a) leitor(a), uma breve perspectiva sobre como o solo sertanejo, nosso Sol abundante, o semear da lavoura e a beleza da colheita, nos ensinam a respeito dessa recente área tecnológica denominada computação quântica baseada em circuitos supercondutores.
Existem mais de uma dezena de tecnologias capazes de construir computadores quânticos, cada uma delas com suas vantagens e desvantagens. Essa coletânea tecnológica faz parte da corrida mundial pelo domínio pleno da computação quântica em larga escala. Por exemplo, podemos utilizar átomos individuais, luz, elétrons, moléculas, ou como no meu caso, circuitos eletrônicos artificialmente desenhados e feitos com materiais supercondutores.
Substrato
A compreensão desse texto não depende da definição precisa do que é um material supercondutor, mas tomarei a liberdade de exemplificar suas duas principais características: a primeira característica desse tipo de material é poder conduzir eletricidade sem oferecer qualquer resistência elétrica, uma vez que esteja resfriado a uma temperatura baixa o suficiente, denominada temperatura crítica; semelhantemente, ao estar resfriado em tais condições, o material também tem a capacidade de expelir campos magnéticos com intensidade moderada. Essas e outras propriedades são exploradas na construção desses circuitos supercondutores que se comportam como átomos artificiais (qubits).
Desde os primórdios das civilizações agricultoras sabe-se que o primeiro passo para uma boa plantação, é o solo. Na construção de um computador quântico, ou mais especificamente na fabricação do chip processador de um computador quântico não é muito diferente, a fundação começa pelo componente que chamamos de substrato, sendo ele a base primária que receberá todos os processos físicos e químicos que darão origem ao chip contendo os qubits.
O material mais usado no mundo para essa aplicação, inclusive por mim, é o silício. Esse material passa por um processo muito longo e complexo de purificação, iniciando-se na coleta da matéria-prima em solos arenosos ricos em sílica, semelhantes ao solo do local onde cresci, até o processo de refinamento industrial muito exigente para alcançar uma pureza de 99.9999999% ou superior. O resultado desse processo são discos de Silício, popularmente chamados de bolachas de Silício.
Uma vez que temos um solo de alta qualidade, o próximo passo é a preparação do mesmo para receber nossas preciosas sementes, essa etapa normalmente inclui a limpeza de vegetação indesejada e a definição das regiões onde as sementes serão plantadas. Em nosso processo de micro e nanofabricação, a limpeza do substrato é feita primariamente de forma química através de banhos das bolachas de silício em soluções específicas, seguindo um protocolo rigoroso de sequência de banhos, temperatura e duração das reações. Em seguida, a limpeza é feita de forma física através da queima das bolachas com plasma de alta energia (um tipo especial de fogo). A junção desses processos nos permite remover contaminantes orgânicos e inorgânicos, deixando assim o nosso substrato pronto.
Litografia
A partir daqui, podemos então definir a geometria dos circuitos sobre o substrato, a técnica responsável por tal tarefa chama-se litografia, ela usa a interação entre materiais poliméricos sintéticos previamente aplicados sobre o substrato e uma fonte de luz abundante, sendo tão indispensável para a produção dos qubits quanto o Sol para a vida do nordestino. Através da litografia desenhamos uma imensidão de formas geométricas básicas como quadrados, circunferências, semicírculos e inúmeras outras, dando origem pouco a pouco, às estruturas complexas que definem o formato dos qubits e um conjunto de componentes auxiliares presentes no chip.
Tendo agora o solo limpo, preparado e delimitado, o passo a seguir é o tão aguardado plantio das sementes. Assim como os grãos são a parte central da lavoura, o material supercondutor é o coração da fabricação dos qubits, é ele que contém as propriedades físicas adequadas e meticulosamente controladas durante a fabricação e uso dos processadores quânticos. Não ironicamente, assim como existem várias espécies de sementes, o mesmo ocorre com os tipos de materiais supercondutores, muitos são conhecidos pelos brasileiros em diferentes contextos, cito aqui: Alumínio (meu favorito), Nióbio, Titânio, Mercúrio, Chumbo e muitos outros elementos químicos.
Existem também materiais supercondutores com diferentes matrizes, como por exemplo ligas metálicas, cerâmicas, nanotubos de carbono e materiais bidimensionais como o grafeno. Nem todos são úteis para a computação quântica, na verdade até hoje poucos destes citados foram de fato testados e explorados por esse campo tecnológico, isso porque a fabricação de circuitos supercondutores passa por uma seleção extremamente fina baseada na combinação de fatores como o tipo de circuito que queremos fabricar, propriedades físicas e químicas do material, técnicas de manipulação, disponibilidade natural, compatibilidade tecnológica, oferta e preço, além de fatores mais abrangentes relacionados à geopolítica e economia internacional. O alumínio é um exemplo de material que superou todo esse filtro e é considerado como uma das sementes de qubits supercondutores.
Vaporização de metais
Para depositar esse material sobre o substrato, é necessário primeiro torná-lo vapor. Minha técnica preferida para vaporização de metais como o Alumínio, utiliza um feixe de elétrons de alta energia, magneticamente focado e incidindo sobre o material, derretendo-o (borbulhando) e tornado-o vapor, quase que da mesma maneira que evaporamos água ao borbulhar. Uma vez que temos o vapor de alumínio, a bolacha de Silício é estrategicamente posicionada de uma forma em que parte desse vapor será depositada sobre ela, formando assim os nossos qubits supercondutores feitos de Alumínio.
É de se imaginar que exista uma enormidade de processos e fenômenos que foram ignorados ou simplificados até aqui, mas não se preocupe, eles não comprometem a nossa conversa. Chegando nessa altura do processo de fabricação, passando pela limpeza e preparação do substrato, delimitação da geometria e deposição do Alumínio, podemos considerar os nossos qubits plenamente formados. E aqui começa a nossa colheita.
Colher qubits é uma combinação de etapas por si só, envolvendo testes preliminares, checagem de qualidade, escolha do melhor chip, em alguns casos transporte entre laboratórios, instalação, resfriamento abaixo da temperatura crítica e finalmente o início dos experimentos. Para mim, nesse sublime momento de colheita, os sentimentos são provenientes das memórias e raízes da minha infância, quando então celebrava a abundância da lavoura, agora me animo com a fartura da ciência dos qubits.
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Jéferson Ribeiro Guimarães é doutorando na Universidade RWTH de Aachen (Alemanha), trabalha como pesquisador temporário no Centro de Pesquisa de Jülich e é membro do Instituto de Pesquisa Peter Grünberg para Sistemas Quântico Funcionais. Escreve hoje na coluna Ciência Nordestina, a convite do professor Helinando Oliveira.
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