Aqueles primeiros supercomputadores foram construídos para fins sérios: trabalho militar secreto, pesquisa acadêmica, engenharia avançada e muito mais. Na década de 1980, computadores com esses recursos tinham que funcionar dentro de cubas de líquido de resfriamento para evitar que seus processadores derretessem. Hoje, podemos construir computadores mais potentes que cabem no seu bolso.

Os engenheiros passaram décadas diminuindo computadores, construindo máquinas mais leves e poderosas. Quase todas as realizações científicas e culturais notáveis do último meio século da história da humanidade remontam a esse progresso.

Em 1965, apenas alguns anos após o surgimento da indústria de semicondutores, o engenheiro e empresário Gordon Moore fez uma previsão. Ele disse esperar que o número de transístores agrupados em um único chip dobre a cada dois anos durante a próxima década.

Foi uma alegação ousada, uma visão do futuro tão ousada quanto a que os pioneiros da computação quântica expressam hoje. Moore acreditava que os engenheiros conseguiriam retirar um coelho de uma cartola cinco vezes em dez anos. Mas ele não foi além de 1975 – parecia claro que em algum momento a mágica acabaria e as coisas desacelerariam.

A previsão de Moore, que veio a ser conhecida como Lei de Moore, funcionou por muito mais de uma década. A cada dois ou três anos desde meados da década de 1960, os engenheiros conseguiram duplicar a densidade de transístores dos microchips. Transístores que eram tão largos quanto fibras de lã (20 micrômetros) no final da década de 1960 encolheram para escalas microscópicas. Em 2021, a IBM criou um chip com seus menores componentes com apenas dois nanômetros de largura — mais estreito do que um filamento de DNA humano.

Para manter a Lei de Moore viva nas últimas décadas, os engenheiros têm se baseado em um truque de química.

Na década de 1980, uma equipe da IBM descobriu um novo método para imprimir transístores em chips. Eles misturaram moléculas ramificadas em formato de cordão em uma solução e pintaram essa solução (conhecida como fotorresiste) como um revestimento fino na superfície de um chip em branco.

Depois que a solução secou, as moléculas aderiram à superfície. Em seguida, a equipe acendeu uma luz ultravioleta naquela superfície por meio de uma tela padronizada. A tela garantiu que apenas algumas moléculas fossem expostas à luz, enquanto outras foram deixadas na sombra. 

As ramificações nesses filamentos químicos reagiram sob luz. Quando reagiram, mudaram a forma como o fotorresiste se comportava, tornando-o mais ou menos pegajoso. Os pesquisadores lavaram o fotorresiste exposto aos raios UV com água. As moléculas que ficaram para trás formaram padrões complexos na pastilha de silício.

Hoje, esses padrões funcionam como guias para a fiação de microchips. Os fabricantes imprimem transístores sobre esses padrões, usando-os como guias para as estruturas de computação fina.

"Quando você observa esses padrões em um microscópio, é notável como essas linhas são perfeitas, com bordas nítidas", disse Jeannette Garcia, gerente de pesquisa sênior de pesquisa e software de aplicativos quânticos da IBM Quantum.

Essa crespidão importa: qualquer imprecisão pode levar a erros no processo de fabricação e microchips inúteis.

A IBM trabalhou em estreita colaboração com parceiros como a JSR para refinar esse processo, projetando os fotorresistes para controle fino sobre a forma dos padrões em escalas nanométricas.

"Com uma química precisa, você pode chegar a esses tamanhos de recursos incrivelmente pequenos, não mais largos do que os polímeros dos fotorresistes", disse Garcia. “Foi assim que chegamos a dois componentes de largura nanométrica. Isso impulsiona a Lei de Moore.”

Hoje, toda a indústria de fabricação de microchips depende do processo de fotorresiste.

 “Nós da JSR temos orgulho de ser um dos principais fabricantes de soluções fotorresistes do mundo", disse Hiroaki Tokuhisa, diretor de tecnologia da JSR. “Fornecemos os produtos químicos que impulsionam a Lei de Moore no século XXI e trabalhamos de perto com parceiros como a IBM para melhorar constantemente nossa biblioteca de produtos químicos fotorresistes.""

Como os microchips que eles ajudam a fabricar, esses fotorresistes se tornaram muito mais complicados desde os primeiros experimentos na década de 1980. À medida que a química evoluiu para suportar padrões mais finos e delicados, novos elementos foram adicionados aos fotorresistes para transformá-los em instrumentos mais precisos. Por exemplo, pesquisadores introduziram componentes químicos conhecidos como geradores fotoácidos (PAGs) na solução.

Os PAGs agem um pouco como rebocadores químicos, disse Garcia, colocando os polímeros maiores no lugar. Quando determinadas condições são atendidas, um PAG expele um próton que interage com os polímeros no fotorresiste, tornando as moléculas solúveis para que possam ser lavadas. Quando os fabricantes desenvolvem novos microchips, eles trabalham com a JSR para determinar a solução fotorresiste precisa necessária para obter os resultados desejados.

Esse processo pode ser demorado e caro.

“É difícil prever como um novo fotorresiste se comportará até que o criemos em laboratório e o testemos rigorosamente em situações do mundo real”, disse Hiroaki.

A química envolvida é muito complexa para que até mesmo os supercomputadores mais poderosos do mundo possam simular com eficácia.

"Acreditamos que isso está prestes a mudar", disse Hiroaki. "Junto com nossos parceiros de longa data na IBM, estamos experimentando simulações químicas em computadores quânticos. Já mostramos que os computadores quânticos podem simular pequenas moléculas que imitam partes de um fotorresiste."

O mundo real funciona com base na mecânica quântica e, em breve, os computadores quânticos podem ser nossas melhores ferramentas para simulá-lo. Esses computadores, agora passando por seu próprio processo de rápido ajuste de escala e desenvolvimento na IBM Quantum, podem um dia resolver problemas complexos que desnorteiam até mesmo os supercomputadores clássicos. 

Com o auxílio de simulações de química computacional, a JSR pretende desenvolver novos fotorresistes mais rapidamente e a um custo mais baixo – uma vantagem potencial na extensão da Lei de Moore para o futuro.

A IBM e a JSR esperam que computadores quânticos sejam ferramentas poderosas para esse tipo de simulação química quando atingirem a escala e potência necessárias. A JSR está trabalhando com a IBM Quantum hoje para estabelecer a base para esse futuro.

"À medida que os computadores quânticos ficam mais poderosos, queremos estar prontos para usá-los para apoiar nosso trabalho", disse Hiroaki.

Recentemente, uma equipe de pesquisa conjunta JSR-IBM Quantum simulou com sucesso uma molécula menor com comportamentos semelhantes aos de um PAG. Isso mostrou que, a princípio, deve ser possível simular os próprios PAGs à medida que os computadores quânticos crescem.

Todo esse trabalho está direcionando para um futuro no qual os supercomputadores quânticos resolvam problemas impossíveis de resolver hoje, com benefícios de curto prazo para a pesquisa química. Para a JSR, espera-se que isso signifique chips de computador melhores e mais rápidos produzidos a custos mais baixos. Para outros parceiros, isso pode significar avanços na descoberta de drogas ou na ciência de materiais.

Atualmente, a IBM Quantum hospeda a frota mais avançada do mundo de sistemas de computação quântica e software para executar circuitos quânticos em escala. Sua organização pode fazer parceria com a IBM Quantum para impulsionar a pesquisa e desenvolver habilidades quânticas.

Usando tecnologias cultivadas pelo desenvolvimento de materiais de polímeros, a JSR Corporation (link externo a ibm.com) desenvolve e fornece muitos produtos líderes globais, incluindo materiais de litografia, materiais de CMP, materiais de processos e materiais de embalagem, que são essenciais para a produção de chips de semicondutores. Os materiais de LCD da JSR e os materiais de exibição de última geração são usados na produção de monitores LCD e OLED.