Salto Quântico: O Primeiro Chip Híbrido Quântico-Fotônico do Mundo

Com os investimentos disparando e as descobertas se multiplicando, a tecnologia quântica está mais próxima do que nunca de se tornar realidade. 

De acordo com a McKinsey, os três principais pilares da tecnologia quântica, que são computação quântica, comunicação quântica e sensoriamento quântico, juntos poderiam gerar até US$ 97 bilhões em receita mundialmente dentro da próxima década. 

A tecnologia lida com os princípios da mecânica quântica para criar tecnologias inovadoras que superam as capacidades das tecnologias clássicas.

Uma das maneiras promissoras de desenvolver tecnologias quânticas é através da fotônica. Isso se deve à sua compatibilidade natural com interconexões ópticas para distribuição de emaranhamento, sua robustez contra decoerência em temperatura ambiente e sua capacidade de ser reduzida a um formato de chip.

A fotônica é a ciência da luz (fótons) e trata da geração, detecção e manipulação da luz para diversas aplicações.

Para sistemas quânticos-fotônicos, a fotônica de silício oferece a plataforma mais escalável. Eles podem ser construídos usando as técnicas de fabricação semicondutora desenvolvidas na indústria de microeletrônica de semicondutores complementares de óxido de metal (CMOS), que já produz chips em escala.

Embora a fotônica de silício possa em breve ser usada para criar um grande número de qubits físicos, necessários para alcançar processamento de informação quântica útil em dispositivos ópticos miniaturizados para gerar e manipular estados quânticos de luz, a construção desses circuitos integrados quânticos-fotônicos de silício apresenta desafios sérios.

Os problemas estão relacionados ao cruzamento térmico, não-linearidades de portadores livres e autoaquecimento, e à necessidade de gerenciar a sensibilidade extrema a quaisquer variações de temperatura e processo. 

O fato é que, para que os dispositivos fotônicos quânticos de silício funcionem corretamente, eles precisam de monitoramento contínuo, bem como controle por circuitos eletrônicos. Portanto, eletrônicos volumosos fora do chip foram usados, o que resolve parcialmente os problemas, mas também resulta na perda de muitos benefícios de uma plataforma em escala de chip. 

Para realizar todo o potencial da fotônica de silício como plataforma para o processamento de informação quântica, precisamos resolver o gargalo de controle clássico.

Assim, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores introduziu um sistema quântico eletrônico-fotônico em chip. Ele foi fabricado em uma fundição comercial de microeletrônica CMOS de 45 nm.

Este é o primeiro chip híbrido do mundo que combina eletrônica, fotônica e potência quântica. 

O uso de CMOS torna a pesquisa ainda mais louvável. Essa tecnologia de semicondutores é a pedra angular da eletrônica moderna. Empresas como Samsung, Sony, Intel (INTC ) e TSMC a utilizam para produzir eletrônicos em massa.

O nó de 45 nm, por sua vez, é comprovado e econômico. Também é compatível com a ampla infraestrutura de fabricação de silício.

Sua abordagem de controle modular totalmente integrada, segundo a equipe, “abre caminho para que a fotônica quântica de silício alcance a escala massiva necessária para as futuras gerações de sistemas de informação quântica.”

Colaboração Interdisciplinar Aproxima a Tecnologia Quântica da Realidade

O estudo mais recente, que marca um grande avanço na tecnologia quântica, foi conduzido por pesquisadores da UC Berkeley, Boston University e Northwestern University.

“O tipo de colaboração interdisciplinar que este trabalho exigiu é exatamente o que é necessário para mover sistemas quânticos do laboratório para plataformas escaláveis. Não poderíamos ter feito isso sem os esforços combinados em eletrônica, fotônica e medição quântica.”

– Prem Kumar, professor de engenharia elétrica e de computação na Northwestern

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation. Publicado na Nature Electronics, o estudo detalha o sistema que integrou com sucesso fontes de luz quântica e eletrônica estabilizadora em um único chip de silício, fabricado usando o processo semicondutor padrão de 45 nm.

Esta combinação é o que permite que o chip gere continuamente fluxos de pares de fótons correlacionados, que são a base de várias aplicações quânticas.

Cada chip de silício possui uma matriz de “fábricas de luz quântica”, ao todo doze fontes de luz quântica independentes que são alimentadas por luz laser. Elas também dependem de resonadores de microring para gerar pares de fótons. Cada uma dessas fontes tem uma dimensão inferior a um milímetro em cada direção.

Isso marca um grande passo em direção ao desenvolvimento de sistemas quânticos mais complexos compostos por múltiplos chips interconectados e à produção em massa de chips “fábrica de luz quântica”. Segundo o autor sênior do estudo Miloš Popović, que é professor associado de engenharia elétrica e de computação na BU:

“A computação, comunicação e sensoriamento quânticos estão em um caminho de décadas do conceito à realidade. Este é um pequeno passo nesse caminho — mas um importante, porque demonstra que podemos construir sistemas quânticos repetíveis e controláveis em fundições comerciais de semicondutores.”

Atualmente, nos estágios iniciais de desenvolvimento, a tecnologia quântica difere dos computadores existentes, que utilizam bits clássicos que são zero ou um, ao empregar bits quânticos (qubits).

Esses qubits podem existir em uma superposição de ambos os estados ao mesmo tempo, permitindo que computadores quânticos realizem cálculos em paralelo, o que, por sua vez, leva a acelerações massivas. Aqui, superposição é a existência de um sistema quântico em múltiplos estados simultaneamente.

Desvendando o Código da Escalabilidade com Autoajuste em Tempo Real

Agora, existem diferentes maneiras de aplicar a tecnologia quântica, e a fotônica é uma delas, onde um fluxo controlado de luz, fótons individuais ou pares de fótons emaranhados, é necessário para desempenhar sua função. 

Esses fluxos constantes de luz quântica são gerados usando dispositivos como resonadores de microring e pontos quânticos.

Resonadores de microring são dispositivos fotônicos precisamente projetados que permitem a geração de estados quânticos de luz em um chip. Eles são elementos essenciais na fotônica de silício, pois oferecem uma forma muito eficiente de guiar a luz em escala nanométrica. Isso é conseguido ao fazer a luz percorrer um círculo para alcançar um comprimento de onda alvo (ressonância).

Para gerar fluxos de luz quântica na forma de pares correlacionados de fótons, os resonadores de microring precisam ser sintonizados em sincronismo com a luz laser incidente que alimenta cada fábrica de luz quântica no chip. Ela também é usada como combustível para o processo de geração.

No entanto, os resonadores são muito sensíveis a variações de temperatura e de fabricação. Isso pode fazer com que eles fiquem fora de sincronia e interrompam a geração constante de luz quântica.

Para evitar a interrupção da geração de luz quando os resonadores são deslocados da sincronia, a equipe construiu um sistema integrado que estabiliza ativamente as fontes de luz quântica no chip, em particular, os resonadores que geram fluxos de fótons correlacionados. Essas fontes de luz estão presentes em cada chip e operam em paralelo. 

“O que mais me entusiasma é que incorporamos o controle diretamente no chip — estabilizando um processo quântico em tempo real. Esse é um passo crítico rumo a sistemas quânticos escaláveis.”

– Anirudh Ramesh, estudante de doutorado na Northwestern que liderou as medições quânticas

Curiosamente, a sensibilidade extrema dos resonadores de microring é na verdade a base das fontes de luz quântica, a própria razão pela qual os fluxos de luz quântica podem ser gerados de forma eficiente e em uma área mínima de chip. No entanto, até pequenas mudanças de temperatura podem impactar significativamente o processo de geração de pares de fótons. 

Para superar esse problema, os pesquisadores implantaram um sistema de controle em tempo real diretamente no chip. Eles integraram fotodiodos dentro de cada resonador de maneira específica, permitindo monitorar o desempenho, especificamente o alinhamento com o laser incidente, enquanto preservam a geração de luz quântica.

Enquanto isso, aquecedores miniaturizados e lógica de controle no chip ajustam constantemente a ressonância em resposta ao desvio. Assim, mesmo com as condições flutuando, esse loop de feedback incorporado mantém o processo de geração de luz quântica, fazendo com que o dispositivo se comporte de forma previsível.

O autoajuste permite que todos os doze resonadores trabalhem juntos em perfeita sincronia, sem a necessidade de equipamentos volumosos de estabilização. Este é um ponto importante, pois é um requisito chave para escalar sistemas quânticos. Segundo Imbert Wang, estudante de doutorado na Boston University que liderou o design do dispositivo fotônico:

“Um desafio chave em relação ao nosso trabalho anterior foi avançar o design fotônico para atender aos exigentes requisitos da óptica quântica, mantendo-se dentro das restrições rigorosas de uma plataforma CMOS comercial. Isso possibilitou o co-design da eletrônica e da óptica quântica como um sistema unificado.”

Todo o sistema foi fabricado em uma plataforma de chip CMOS comercial de 45 nm desenvolvida por meio de uma colaboração entre a BU, UC Berkeley, GlobalFoundries e Ayar Labs. A startup Ayar Labs está envolvida na criação de tecnologia para chips que utilizam pulsos de luz e garantiu US$ 155 milhões em financiamento de risco da AMD Ventures, Intel Capital e Nvidia (NVDA ), com avaliação de US$ 1 bilhão, o que “prepara o terreno para produção em volume.”

O processo de fabricação possibilita interconexões ópticas avançadas para IA e supercomputação, e agora sistemas fotônicos quânticos complexos em uma plataforma de silício escalável.

“Nosso objetivo era demonstrar que sistemas fotônicos quânticos complexos podem ser construídos e estabilizados inteiramente dentro de um chip CMOS. Isso exigiu uma coordenação estreita entre domínios que normalmente não se comunicam.”

– Daniel Kramnik, estudante de doutorado na UC Berkeley que liderou o design, empacotamento e integração do chip

A dependência do chip nas técnicas já em uso significa que não há necessidade de criar novas configurações, o que, por sua vez, abre caminho para a computação quântica escalável.

Investindo em Sistemas Quânticos 

O mundo da tecnologia quântica está avançando rapidamente, aproximando-se cada vez mais da realidade a cada ano que passa. Aqui, International Business Machines (IBM ) está entre os que lideram o setor, particularmente na computação quântica. Recentemente, pesquisadores da IBM® e da startup quântica Pasqal lançaram um white paper, no qual definiram a vantagem quântica, como as alegações podem ser validadas cientificamente e maneiras de alcançá‑la.

International Business Machines (IBM )

Este mês, a IBM Quantum trabalhou com a Moderna para modelar a estrutura do mRNA usando simulação quântica. Para isso, utilizaram 80 qubits de um processador IBM Quantum Heron, que executou um algoritmo especializado com o objetivo de “melhorar a saúde humana.”

“Acreditamos que é fundamental explorar todas as ferramentas disponíveis, incluindo a computação quântica, para ampliar nosso progresso hoje, em vez de esperar que a tecnologia amadureça totalmente no futuro.”

– Diretor científico associado da Moderna para algoritmos e aplicações quânticas, Alexey Galda

No mês passado, a IBM também fez um grande anúncio de que está construindo o primeiro computador quântico de grande escala do mundo, que espera entregar aos clientes em 2029.

O computador quântico tolerante a falhas chamado IBM Starling será 20.000 vezes mais poderoso que os computadores quânticos existentes e “necessitaria da memória de mais de um quindecilhão dos supercomputadores mais poderosos do mundo.”

De acordo com o roadmap da empresa, a chegada do Starling seguirá vários marcos, incluindo a primeira demonstração de “vantagem quântica” no próximo ano, quando os computadores quânticos começarão a superar os computadores clássicos em aplicações práticas de computação.

Mas antes disso, a IBM Quantum Loon será lançada ainda este ano junto com seu chip Nighthawk. E, em algum momento no próximo ano, a IBM Quantum Kookaburra seguirá, apresentando o primeiro processador modular da empresa para armazenar e processar informações codificadas. Em seguida, a IBM Quantum Cockatoo será lançada no ano seguinte, cuja arquitetura “ligará chips quânticos como nós em um sistema maior, evitando a necessidade de construir um chip impraticamente grande.”

Esses lançamentos levarão, em última instância, ao lançamento do Starling antes do final da década. Essa inovação pretende executar “100 milhões de operações quânticas usando 200 qubits lógicos.”

Com o Starling, a IBM pretende resolver desafios do mundo real, algo que a tecnologia quântica ainda não alcançou. Segundo seu CEO, Arvind Krishna, seu computador quântico também “desbloqueará imensas possibilidades para os negócios.”

De acordo com seu roadmap, os objetivos de computação quântica da IBM vão além do Starling. O Blue Jay será a ISA de computação quântica tolerante a falhas de segunda geração, que não deve chegar antes de 2033. Até lá, a plataforma de computação pode escalar para 1 bilhão de portas e 2.000 qubits lógicos.

Quanto ao desempenho de mercado da IBM, com capitalização de US$ 262 bilhões, que é fornecedora global de nuvem híbrida, IA e expertise em consultoria, suas ações estão atualmente negociando acima de US$ 265, com alta de 28,29% no ano. A empresa paga um dividend yield de 2,38%.

Mais recentemente, a empresa divulgou seus resultados do segundo trimestre de 2025, que mostraram um aumento de 8% na receita para US$ 17 bilhões, US$ 6,1 bilhões em caixa líquida das atividades operacionais e fluxo de caixa livre de US$ 4,8 bilhões.

“Mais uma vez superamos as expectativas de receita, lucro e fluxo de caixa livre no trimestre. A IBM continua altamente diferenciada no mercado devido à nossa profunda inovação e expertise de domínio, ambas cruciais para ajudar os clientes a implantar e escalar IA. Nosso portfólio de negócios de IA generativa continua a acelerar e agora supera US$ 7,5 bilhões.”

– CEO Krishna

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Conclusão

A tecnologia quântica está avançando rapidamente, avançando de um conceito para uma indústria escalável, impulsionada por descobertas como chips híbridos quântico-eletrônicos-fotônicos.

Ao integrar fontes de luz quântica, eletrônica estabilizadora e fabricação escalável em um único chip, o estudo criou de forma otimizada um modelo para o futuro quântico. E à medida que os sistemas fotônicos quânticos avançam, os chips híbridos mais recentes podem se tornar a base de tecnologias como sensoriamento avançado, redes de comunicação seguras e computação quântica.

Com a IBM construindo processadores quânticos massivos, os tempos são certamente empolgantes, e a próxima década parece ser o momento ideal para marcar o ponto em que a computação quântica finalmente entrega impacto no mundo real.

Clique aqui para uma lista das principais empresas de computação quântica de 2025.

Referências:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip. Nature Electronics, 8, (2025). Publicado em online 14 de julho de 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. Um framework para vantagem quântica. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publicado em online 14 de julho de 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658