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Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/01/2022
Dopagem átomo por átomo
Uma equipe da Austrália e da Alemanha levou ao extremo a técnica da dopagem, uma melhoria suficiente para que esse método padrão da microeletrônica seja usado também na construção dos computadores quânticos.

A dopagem consiste na introdução de "impurezas" - átomos de outro elemento químico - nos semicondutores, como o silício ou o germânio, para ajustar as propriedades dos componentes eletrônicos para as necessidades de funcionamento de cada um.

Alexander Jakob e seus colegas desenvolveram uma técnica que permite inserir átomos em uma pastilha de silício ou outro semicondutor, mas com uma precisão inédita: Os átomos são inseridos individualmente, um após o outro, de forma totalmente controlável.

Hoje, a implantação de átomos no silício é um processo largamente aleatório, onde a pastilha de silício é banhada no elemento que se quer implantar, chamado dopante - cada átomo do dopante se implanta em um padrão aleatório, como gotas de chuva em uma janela.

Em termos simples, a equipe substituiu a finíssima ponta de um microscópio de varredura, tipicamente capaz de tocar átomo por átomo de um material, por uma chapinha dotada de um nanofuro, com espessura suficiente para deixar passar um átomo.

A chapinha é então posicionada sobre o local onde se quer implantar o átomo e um feixe do dopante é disparado sobre ela. Como o furo só deixa passar um átomo, este é depositado precisamente no local planejado.
Um clique para cada átomo
O aparato criado pela equipe permite criar padrões em grande escala, com números de átomos precisamente definidos e precisamente localizados. E tudo em pastilhas de silício, aproveitando para a computação quântica toda a tecnologia já desenvolvida para os computadores de silício.

"Usamos uma tecnologia avançada desenvolvida para detectores de raios X sensíveis e um microscópio de força atômica especial, originalmente desenvolvido para a missão espacial Rosetta, juntamente com um modelo de computador abrangente para a trajetória de íons implantados em silício, desenvolvido em colaboração com nossos colegas na Alemanha," descreveu Jakob, da Universidade de Melbourne.

A equipe descobriu que a energia cinética do átomo, ao penetrar no cristal de silício e dissipar sua energia por fricção, pode ser medida, e então eles usaram esse sinal para gerar um pequeno clique sonoro, que sinaliza em tempo real que a técnica está funcionando para cada átomo individualmente.

"Nós podíamos 'ouvir' o clique eletrônico quando cada átomo caía em um dos 10.000 locais em nosso dispositivo protótipo. Nossa visão é usar essa técnica para construir um dispositivo quântico de muito, muito grande escala," acrescentou o professor David Jamieson.
Processadores quânticos em larga escala
A vantagem da deposição controlada, quantitativa e espacialmente, é que os átomos podem ser controlados para que seus estados quânticos possam ser manipulados, acoplados e lidos.

Ou seja, cada átomo pode ser usado como um qubit totalmente funcional e isolado dos outros. Já existem protótipos de processadores quânticos assim, mas os átomos ficam em padrões aleatórios, e os pesquisadores precisam testar um por um para ver quais deles funcionam como um qubit e ainda contar com a sorte de que esse que funciona bem não tenha um vizinho para atrapalhar.

"Acreditamos que, em última análise, poderemos fazer máquinas de grande escala baseadas em bits quânticos de átomo único usando nosso método e aproveitando as técnicas de fabricação que a indústria de semicondutores aperfeiçoou," concluiu Jamieson.
Bibliografia:

Artigo: Deterministic Shallow Dopant Implantation in Silicon with Detection Confidence Upper-Bound to 99.85% by Ion–Solid Interactions
Autores: Alexander M. Jakob, Simon G. Robson, Vivien Schmitt, Vincent Mourik, Matthias Posselt, Daniel Spemann, Brett C. Johnson, Hannes R. Firgau, Edwin Mayes, Jeffrey C. McCallum, Andrea Morello, David N. Jamieson
Revista: Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202103235

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Processador quântico de silício é construído átomo por átomo

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/01/2022 Dopagem átomo por átomo Uma equipe da Austrália e da Alemanha levou ao extremo a técnica da dopagem, uma melhoria suficiente para que esse método padrão da microeletrônica seja usado também na construção dos computadores quânticos.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/10/2021
Circuito integrado quântico
A Toshiba anunciou o lançamento do primeiro sistema de distribuição de chave quântica (QKD) integrado em um único chip.

A expectativa é que o circuito integrado permita a fabricação em massa da tecnologia de criptografia quântica, levando sua aplicação não apenas a transações bancárias e comunicações governamentais, mas virtualmente a qualquer aplicação da internet ou mesmo da internet das coisas.

Há uma preocupação crescente de que os emergentes computadores quânticos sejam capazes de resolver rapidamente os difíceis problemas matemáticos que formam a base da criptografia de chaves públicas atuais, que hoje garantem a segurança das comunicações e das transações comerciais.

Por outro lado, os protocolos usados para a criptografia quântica são comprovadamente seguros a partir dos primeiros princípios, não sendo vulneráveis a ataques de um computador quântico, ou mesmo de qualquer computador já imaginado.

Grandes redes de fibra óptica usando comunicações quânticas já estão em construção na China e na Europa, e os primeiros satélites de comunicação quântica já estão na fase de projeto.

A expectativa é de que a integração da distribuição de chave quântica em um único chip ajude a acelerar todo esse processo.
Criptografia quântica integrada
A Toshiba anunciou ter desenvolvido técnicas para miniaturizar os circuitos ópticos usados para distribuição de chaves quânticas (QKD) e geradores quânticos de números aleatórios (QRNG) em minúsculos chips semicondutores.

Eles não são apenas muito menores e mais leves do que as tecnologias baseadas em fibra óptica, mas também consomem menos energia. E empacotar tudo em um circuito integrado significa que centenas deles podem ser fabricados em paralelo na mesma pastilha usando técnicas padrão da indústria de semicondutores. Por exemplo, os chips transmissores quânticos desenvolvidos pela Toshiba medem apenas 2x6 mm, permitindo que várias centenas de chips sejam produzidos simultaneamente em uma pastilha.

Os núcleos transmissor e receptor das chaves quânticas são montados em placas comuns padrão CFP2, o que facilitará a atualização dos sistemas conforme novas versões dos chips forem lançadas. Para facilitar a integração, a empresa colocará seu sistema de criptografia quântica no mercado montado em gabinetes compactos 1U.

Para demonstrar o funcionamento da tecnologia, o sistema foi conectado a um criptografador comercial padrão, permitindo a transferência segura de dados com uma taxa de até 100 Gb/s.

"Estamos testemunhando com os circuitos integrados fotônicos (CIFs) uma revolução semelhante à que ocorreu com os circuitos eletrônicos. Os CIFs atendendo a mais e mais aplicações diferentes. Claro, os requisitos para os CIFs quânticos são mais rigorosos do que para aplicações convencionais, mas este trabalho mostra que um sistema QKD baseado em chip totalmente implantável agora é viável, marcando o fim de um importante desafio para as tecnologias quânticas. Isso abre uma ampla gama de perspectivas para a implantação de dispositivos quânticos compactos plug-and-play que certamente impactarão fortemente nossa sociedade," disse o pesquisador Taofiq Paraiso, coordenador da equipe de desenvolvimento.
Bibliografia:

Artigo: A photonic integrated quantum secure communication system
Autores: Taofiq K. Paraïso, Thomas Roger, Davide G. Marangon, Innocenzo De Marco, Mirko Sanzaro, Robert I. Woodward, James F. Dynes, Zhiliang Yuan, Andrew J. Shields
Revista: Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-021-00873-0

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Toshiba lança chip com criptografia quântica integrada

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/10/2021 Circuito integrado quântico A Toshiba anunciou o lançamento do primeiro sistema de distribuição de chave quântica (QKD) integrado em um único chip. A expectativa é que o circuito integrado permita a fabricação em massa da tecnologia de criptografia quântica, levando sua aplicação não apenas a transações bancárias e comunicações governamentais, mas virtualmente a qualquer aplicação da internet ou mesmo da internet das coisas.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/02/2022
Memória ECRAM
Pesquisadores do Instituto Real de Tecnologia (Suécia) e da Universidade de Stanford (EUA) criaram um novo tipo de memória que já nasce talhada para a computação neuromórfica, aquela baseada em processadores que imitam o modo de funcionamento do cérebro.

Batizada de ECRAM, sigla em inglês para memória de acesso aleatório eletroquímica, a memória foi feita de carbeto de titânio (Ti ₃C ₂T x), um material bidimensional de uma classe conhecida como MXenos, materiais com apenas uma camada atômica de espessura que têm-se mostrado uma aposta melhor que o grafeno.

Em vez de simplesmente armazenar dados, a ECRAM funciona como uma sinapse em uma rede neural artificial, tanto guardando o dado quanto fazendo a computação propriamente dita.

Processadores neuromórficos, construídos com estes componentes, podem ser milhares de vezes mais eficientes em termos de energia do que os computadores atuais.

"Em vez de transistores, que ficam ligados ou desligados, e a necessidade de que as informações sejam transportadas entre o processador e a memória, esses novos computadores contam com componentes que podem ter vários estados e realizam computação na memória," acentuou o professor Max Hamedi, coordenador da equipe.
Inteligência artificial adaptável
Em uma célula ECRAM, a comutação entre os estados não ocorre transmitindo ou não eletricidade, como nos transistores, mas pela injeção de íons em um canal de oxidação, imitando de certo o modo o nosso cérebro, que também trabalha com íons.

Já existem diversos componentes que fazem isto, mas passá-los dos laboratórios para as fábricas tem sido difícil devido à cinética muito lenta dos óxidos metálicos, os materiais mais usados para criar sinapses artificiais, e à baixa estabilidade à temperatura dos plásticos, que têm despontado como alternativa devido às muitas vantagens da eletrônica orgânica.

O que a equipe descobriu é que um MXeno à base de titânio combina a alta velocidade da química orgânica com a compatibilidade de integração dos materiais inorgânicos, permitindo criar um componente monolítico operando na interface da eletroquímica com a eletrônica.

Segundo a equipe, "as ECRAMs de MXenos combinam as métricas de velocidade, linearidade, ruído de gravação, energia de comutação e resistência essenciais para a aceleração paralela de redes neurais artificiais".

Embora existam muitas outras barreiras a serem superadas antes que possamos comprar nossos primeiros computadores neuromórficos, o professor Hamedi afirma que as ECRAMs 2D representam um avanço na área de materiais neuromórficos, potencialmente viabilizando uma inteligência artificial que possa se adaptar a entradas não bem determinadas, como incertezas e nuances, algo que o nosso cérebro faz bem e com um consumo muito baixo de energia.
Bibliografia:

Artigo: High-Speed Ionic Synaptic Memory Based on 2D Titanium Carbide MXene
Autores: Armantas Melianas, Min-A Kang, Armin VahidMohammadi, Tyler James Quill, Weiqian Tian, Yury Gogotsi, Alberto Salleo, Mahiar Max Hamedi
Revista: Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202109970

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/02/2022 Memória ECRAM Pesquisadores do Instituto Real de Tecnologia (Suécia) e da Universidade de Stanford (EUA) criaram um novo tipo de memória que já nasce talhada para a computação neuromórfica, aquela baseada em processadores que imitam o modo de funcionamento do cérebro.

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Equipe brasileira desenvolve supercapacitor flexível e elástico

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O novo dispositivo de armazenamento de energia pode substituir as baterias na eletrônica de vestir e na internet das coisas.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2022
ULTRARAM
Um tipo pioneiro de memória de computador, chamada ULTRARAM ™, passou da escala de laboratório para a escala das pastilhas de silício, um passo decisivo em direção à sua fabricação em escala industrial.

A ULTRARAM é um novo tipo de memória híbrida, que combina a não-volatilidade de uma memória de armazenamento de dados, como a flash, com a velocidade, eficiência energética e durabilidade de uma memória de trabalho, como a DRAM.

Para conseguir isso, ela utiliza as propriedades de semicondutores especiais que até agora só vinham sendo usados em componentes fotônicos, como LEDs, diodos de laser e detectores infravermelhos, mas não na eletrônica digital, dominada pelo silício.

O nome ULTRARAM não é uma sigla e nem se refere a eventuais vantagens de desempenho, sendo apenas uma marca comercial registrada pela Universidade de Lancaster, no Reino Unido, onde a memória foi criada e está sendo desenvolvida.

Agora, a equipe finalmente conseguiu compatibilizar as pastilhas de silício usadas pela indústria com os semicondutores especiais usados na memória - arseneto de índio (InAs), antimoneto de gálio (GaSb) e antimoneto de alumínio (AlSb).

"A ULTRARAM sobre silício é um grande avanço para nossa pesquisa, superando desafios de materiais muito significativos, como a grande incompatibilidade de rede cristalina, a mudança de semicondutor elementar para composto e diferenças em contração térmica," comentou o professor Manus Hayne, que lidera o trabalho de desenvolvimento da memória híbrida, que a equipe chama de memória universal.
Melhor que flash
Devido à maturidade da indústria de fabricação de chips de silício e ao custo multibilionário de construir fábricas de chips, a implementação de qualquer tecnologia eletrônica digital em pastilhas de silício é essencial para sua comercialização.

Segundo a equipe, os primeiros protótipos da ULTRARAM em pastilhas de silício superam todas as encarnações anteriores da tecnologia em pastilhas de semicondutores compostos de arseneto de gálio (GaAs), demonstrando tempos de armazenamento de dados extrapolados de pelo menos 1.000 anos e resistência de pelo menos 10 milhões de ciclos de leitura e apagamento, o que fica entre 100 e 1.000 vezes melhor do que as memórias flash.
Bibliografia:

Artigo: ULTRARAM: A Low-Energy, High-Endurance, Compound-Semiconductor Memory on Silicon
Autores: Peter D. Hodgson, Dominic Lane, Peter J. Carrington, Evangelia Delli, Richard Beanland, Manus Hayne
Revista: Advanced Electronic Materials
DOI: 10.1002/aelm.202101103

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Supermemória híbrida ULTRARAM chega às pastilhas de silício

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2022 ULTRARAM Um tipo pioneiro de memória de computador, chamada ULTRARAM ™, passou da escala de laboratório para a escala das pastilhas de silício, um passo decisivo em direção à sua fabricação em escala industrial.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2021
Solucionador de Equação Transcendente
Solucionador de Equação Transcendente Totalmente Óptico - este é o mais novo hardware da computação com luz, ou computação fotônica, a plataforma emergente na qual os cálculos são feitos com luz, e não mais com eletricidade.

Kun Liao e seus colegas da Universidade de Pequim desenvolveram uma nova estratégia para colocar dentro de um chip totalmente óptico todo o aparato necessário para a execução de várias tarefas de computação - em contraste com os experimentos de computação com luz já mais comuns, em que cada estrutura consegue fazer apenas um tipo de cálculo.

Além de ser ultrarrápido e ter um consumo de energia mínimo, o chip é baseado em uma rede neural convolucional, o que significa que ele também já nasce talhado para tarefas de inteligência artificial.

A rede neural óptica consiste em guias de ondas em forma de Y, feitos de silício, em cascata com segmentos de guia de ondas acoplados lateralmente, projetados para controlar a amplitude e a fase da luz nos ramos da árvore de cálculos.

É a interação entre esses raios de luz devidamente ajustados que prepara a solução, que sai pronta na outra extremidade do chip - e sai literalmente na velocidade que a luz leva para percorrer os guias de onda.
Processador óptico integrado
Como prova de conceito, a equipe implementou experimentalmente o projeto de rede por meio de várias tarefas de computação, incluindo operadores de portas lógicas multifuncionais, meio-somadores e solucionadores de equações transcendentais - uma equação transcendental, ou transcendente, não possui uma solução exata expressa através de funções conhecidas, sendo necessário recorrer ao cálculo numérico para obter uma solução.

O solucionador óptico de equações transcendentes resolveu as equações com alta precisão, com um desvio máximo inferior a 5% - na maioria dos casos, os desvios não passaram de 3%. A precisão da solução pode ser melhorada aumentando o número de guias de onda de saída, segundo a equipe.

O tempo de voo da luz através da estrutura da rede corresponde a um tempo de computação da ordem de picossegundos, com um consumo de energia na faixa de dezenas de femtojoules por bit.

Segundo a equipe, esta abordagem pode ser expandida para realizar computação paralela usando multiplexação de comprimentos de onda baseada em arquiteturas não-von Neumann e, assim, abre um novo caminho para a computação totalmente óptica dentro de circuitos integrados feitos com componentes semicondutores padrão da indústria.
Bibliografia:

Artigo: All-optical computing based on convolutional neural networks
Autores: Kun Liao, Ye Chen, Zhongcheng Yu, Xiaoyong Hu, Xingyuan Wang, Cuicui Lu, Hongtao Lin, Qingyang Du, Juejun Hu, Qihuang Gong
Revista: Opto-Electronic Advances
Vol.: 4 - No. 11 - 200060
DOI: 10.29026/oea.2021.200060

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Processador de luz resolve equações transcendentais na velocidade da luz

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2021 Solucionador de Equação Transcendente Solucionador de Equação Transcendente Totalmente Óptico - este é o mais novo hardware da computação com luz, ou computação fotônica, a plataforma emergente na qual os cálculos são feitos com luz, e não mais com eletricidade.