Finalmente uma memória universal para computadores?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/06/2019

Esquema da "memória universal", que usa poços quânticos duplos de InAs (azul) com barreiras triplas de AlSb (cinza) e GaSb (vermelho).

[Imagem: 10.1038/s41598-019-45370-1]

Um novo tipo de memória eletrônica, com seu consumo de energia ultrabaixo, promete dar vida nova a computadores e aparelhos eletrônicos portáteis em geral.

Ofogh Tizno e seus colegas da Universidade Lancaster, no Reino Unido, afirmam que sua "memória universal" pode reduzir o consumo de energia das centrais de dados em um quinto, além de permitir que os computadores deem boot instantâneo, já que ela não perde os dados na ausência de eletricidade.

"Uma memória universal, que armazena dados de forma robusta e que podem ser facilmente alterados, é amplamente considerada inviável ou até mesmo impossível, mas este dispositivo demonstra suas propriedades contraditórias," disse o professor Manus Hayne, coordenador da equipe.

Fazer o impossível envolveu usar a mecânica quântica para resolver o dilema de escolher entre armazenamento de dados estável e de longo prazo e a gravação e apagamento de dados usando pouca energia.

Memória universal

Embora a gravação de dados nas memórias DRAM atuais seja rápida e gaste pouca energia em cada operação, os dados são voláteis e devem ser continuamente atualizados para evitar que sejam perdidos - como isso ocorre a cada poucos nanossegundos, a conta de energia sobe rapidamente. As memórias do tipo flash, por sua vez, armazenam dados de forma robusta, mas consomem muita energia e se deterioram, além de a gravação e o apagamento serem lentos, tornando-as inadequadas para funcionar como memória de trabalho.

"O ideal é combinar as vantagens de ambos sem seus inconvenientes, e é isso que demonstramos. Nosso dispositivo tem um tempo de armazenamento de dados intrínseco que é previsto para exceder a idade do Universo, mas pode gravar ou excluir dados usando 100 vezes menos energia do que a DRAM," disse o professor Hayne.

O protótipo, construído com uma combinação de três semicondutores - arseneto de índio (InAs), antimoneto de gálio (GaSb) e antimoneto de alumínio (AlSb) - alcançou uma retenção de dados de 104 segundos e operou a uma tensão abaixo dos 2,6 volts.

O entusiasmo da equipe com sua "memória universal" tem fundamento: Várias empresas de semicondutores já manifestaram interesse em licenciar a patente do novo componente.

Por outro lado, "memórias universais" têm sido anunciadas há mais de uma década, incluindo versões "revolucionárias" como as memórias de conteúdo endereçável e, mais recentemente, as memórias antiferromagnéticas e as memórias com três bits por célula.

Bibliografia:

Artigo: Room-temperature Operation of Low-voltage, Non-volatile, Compound-semiconductor Memory Cells
Autores: Ofogh Tizno, Andrew R. J. Marshall, Natalia Fernández-Delgado, Miriam Herrera, Sergio I. Molina, Manus Hayne
Revista: Nature Scientific Reports
Vol.: 9, Article number: 8950
DOI: 10.1038/s41598-019-45370-1

Qutrit torna computador quântico exponencialmente mais rápido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/07/2019

Nos últimos anos, vários grupos de físicos vêm demonstrando que os qudits são melhores que os qubits para conter os dados dos computadores quânticos.

Qudit é uma referência genérica a um bit quântico de "d" dimensões, onde o termo dimensões refere-se aos múltiplos dados que podem ser guardados numa única célula de memória quântica.

Nas demonstrações anteriores, as vantagens dos qudits em relação aos qubits vinham resultando apenas em ganhos por fatores constantes.

Pranav Gokhale e seus colegas da Universidade de Chicago, nos EUA, usaram um qutrit - um qudit com três níveis de energia - para demonstrar que ir além dos tradicionais qubits resulta em ganhos logarítmicos, aumentando ainda mais o poder computacional esperado dos computadores quânticos.

Além do binário

O trabalho se enquadra no contexto de uma busca de equilíbrio comum na ciência da computação: Os programas podem ser acelerados usando mais memória ou, alternativamente, os programas podem reduzir requisitos de memória incorrendo em tempos de execução mais longos.

Mas, no contexto da computação quântica, com fortes limitações de memória e tempos de execução, nenhuma dessas compensações é aceitável.

Felizmente, os dados em um computador quântico pertencem a um espectro infinito, de modo que o qubit é meramente uma "escolha" de usar somente dois estados do sistema quântico que representa o bit. "Embora a lógica binária faça sentido para a física liga-desliga subjacente aos computadores convencionais, o hardware quântico não é inerentemente binário," reforça Gokhale.

Os ganhos foram avaliados com dois tipos de hardware quântico já em desenvolvimento.

[Imagem: Pranav Gokhale et al. (2019)]

Qutrits

De fato, ao usar três estados - via qutrits - uma das operações fundamentais na computação quântica é exponencialmente mais rápida, sem a necessidade de memória adicional. A equipe verificou sua descoberta com simulações executadas sob condições de ruído realistas.

A seguir, eles ajustaram seus algoritmos quânticos baseados em qutrits usando trabalhos já realizados por outras equipes com bits quânticos supercondutores e iônicos, duas das versões preferidas das equipes trabalhando com hardware quântico real.

"Os qutrits vêm com um custo, já que a presença de um estado adicional implica em mais possíveis fontes de erro," disse Gokhale. "No entanto, nossas simulações demonstram que os qutrits têm uma vantagem convincente, com confiabilidade de duas a dez vezes maior do que os algoritmos de apenas qubits para benchmarks de curto prazo".

"Ao adaptar os algoritmos para aproveitar os recursos exclusivos do hardware quântico, percebemos ganhos de eficiência ocultos por trás das barreiras de abstração entre hardware e software. Nesse caso, nossa modelagem de hardware nos levou a revisitar e desafiar a sabedoria convencional de que a operação binária é a melhor para a computação," completou o professor Frederic Chong.

Bibliografia:

Artigo: Asymptotic Improvements to Quantum Circuits via Qutrits

Autores: Pranav Gokhale, Jonathan M. Baker, Casey Duckering, Natalie C. Brown, Kenneth R. Brown, Frederic T. Chong

Revista: arXiv

DOI: 10.1145/3307650.3322253

Link: https://arxiv.org/abs/1905.10481