Caltech Amplia Qubits de Átomos Neutros para 6,100 com Pinças Ópticas

Já se passaram cerca de quatro décadas desde que as pinças ópticas foram desenvolvidas, e elas continuam a revolucionar a física, a biologia e a medicina até hoje.

As pinças ópticas são uma ferramenta notável que pode pegar e mover objetos microscópicos, como células, átomos, moléculas e gotas, sem tocá-los. 

Essas ferramentas utilizam lasers focados para manipular objetos. Ao usar um feixe de luz altamente focado, elas são capazes de manter partículas microscópicas e submicroscópicas estáveis em três dimensões.

O feixe é focado por um microscópio de alta qualidade em um ponto, criando uma ‘armadilha óptica’ que segura uma partícula. Essa partícula experimenta forças compostas por luz espalhada e forças de gradiente devido à sua interação com a luz.

Desenvolvidas pelo físico americano Arthur Ashkin em 1986, que recebeu o Prêmio Nobel de Física por isso em 2018, as pinças ópticas permitem que cientistas estudem bactérias individuais, uma célula espermática, cadeias de DNA, a interação de partículas individuais com a luz e muito mais.

Hoje, esses instrumentos científicos formam a base para muitos experimentos de ponta em simulação e computação quântica. 

Por exemplo, cientistas do Departamento de Física Experimental e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) recentemente prenderam átomos individuais de érbio¹ em arranjos de pinças ópticas pela primeira vez, expandindo o uso dessas ferramentas além de sistemas simples para experimentos quânticos mais complexos.

Esses tipos de experimentos, que prendem de dezenas a centenas de qubits atômicos, recentemente alcançaram arranjos de cerca de mil átomos.

Escalar isso para milhares de qubits atômicos com baixa perda, tempos de coerência longos e imagens de alta fidelidade, o que é crítico para avançar na correção de erros quânticos, porém, tem sido um grande desafio.
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No entanto, isso já foi demonstrado experimentalmente por pesquisadores da Caltech. Eles prenderam com sucesso 6,100 átomos neutros em aproximadamente 12,000 sítios usando um arranjo de pinças ópticas. Ao mesmo tempo, eles superaram o “desempenho de ponta para várias métricas que sustentam o sucesso da plataforma”, observou a equipe.

Os pesquisadores demonstraram um tempo de coerência de 12,6(1) segundos, que é um recorde para qubits hiperfinos em um arranjo de pinças ópticas. Durando cerca de 23 minutos, eles alcançaram uma sobrevivência de imagem recorde de 99,98952(1)% com uma fidelidade de imagem superior a 99,99%. 

De acordo com a equipe, esses resultados sugerem que a computação quântica universal pode em breve se tornar uma realidade. 

Por que a Correção de Erros Domina o Roteiro da Computação Quântica

A computação quântica tem capturado o interesse de pesquisadores e empresas em todo o mundo. 

De acordo com analistas da BofA, o mercado de computação quântica deve alcançar uma avaliação de aproximadamente US$ 4 bilhões até o início da próxima década. 

“A promessa da computação quântica é real,” disseram os analistas em uma nota aos clientes, acrescentando que ainda há vários obstáculos ao crescimento da tecnologia, e uma vez que esses sejam superados, “esperamos uma inflexão muito mais significativa nas receitas.”

Os defensores da computação quântica destacam seu potencial para transformar finanças, saúde, logística, cibersegurança, ciência dos materiais e inteligência artificial. 

Esta semana, a HSBC Holdings afirmou ter alcançado uma inovação mundial ao usar computação quântica nos mercados financeiros. O banco, sediado em Londres, utilizou o processador quântico Heron da IBM em negociações de títulos, o que resultou em uma melhoria de 34% na previsão da probabilidade de um título ser negociado a determinado preço. 

O processamento quântico foi aplicado a um conjunto anonimizado de dados de negociação de títulos europeus, onde mostrou a capacidade de melhorar significativamente a eficiência do mercado.

Aplicações práticas da tecnologia quântica em outros setores ainda não foram firmemente estabelecidas, porém, críticos argumentam que não só a revolução dos computadores quânticos está distante, como também limitada.

Por exemplo, no final do ano passado, o Google lançou um novo chip chamado Willow que ele disse marcar um grande avanço no campo da computação quântica, mas observou que o benchmark usado para medir seu desempenho tem “nenhuma aplicação prática conhecida.²“ 

Ainda assim, a McKinsey estima que o valor do mercado de tecnologia quântica pode subir até US$ 100 bilhões dentro de uma década.

Esses números são baseados na antecipação de que certos problemas não podem ser resolvidos por computadores clássicos mas podem ser facilmente tratados por computadores quânticos, ajudando-nos a entender e manipular outros sistemas quânticos. 

Entretanto, atualmente, a computação quântica enfrenta desafios significativos em termos de decoerência, que torna os qubits frágeis e propensos a erros. Isso, por sua vez, torna a tolerância a falhas custosa crítica para uma computação quântica confiável.

Qubits ou bits quânticos são equivalentes aos bits em computadores clássicos. Mas enquanto os bits clássicos são sempre um ou zero, os bits quânticos podem ser ambos ao mesmo tempo até que seu estado seja medido, e os estados de múltiplos qubits também podem estar emaranhados. 

Esses dois fenômenos, superposição (a capacidade de um qubit existir em múltiplos estados simultaneamente) e emaranhamento (a capacidade dos qubits de estarem ligados e compartilharem o mesmo estado independentemente da distância), dão aos computadores quânticos capacidades que os computadores clássicos não possuem.

Ambos, porém, são estados realmente frágeis que podem ser facilmente destruídos pela menor interação com o ambiente.

De interferência eletromagnética a mudanças de temperatura, fatores ambientais podem colapsar essas propriedades, levando a resultados imprecisos. Portanto, essa fragilidade é um dos maiores obstáculos à computação quântica escalável e poderosa, e assim, muita de pesquisa no campo está focada na correção de erros quânticos (QEC).

Uma das maneiras que pesquisadores estão compensando a fragilidade dos qubits e corrigindo erros é construindo computadores quânticos com qubits extras e redundantes. Isso significa que um computador quântico robusto terá centenas de milhares de qubits.

Arranjo de Átomos Neutros Recorde da Caltech Equilibra Quantidade e Qualidade

Trabalhando para construir um computador quântico com muitos qubits para corrigir quaisquer erros, uma equipe de pesquisadores da Caltech estabeleceu um recorde ao criar o maior arranjo de qubits já montado.

Um total de 6,100 qubits de átomos neutros foram confinados em uma grade usando lasers. Anteriormente, esse tipo de arranjo continha apenas centenas de qubits.

Publicado na Nature, o estudo intitulado “Um arranjo de pinças com 6100 qubits atômicos altamente coerentes³” detalha o marco, que utilizou átomos neutros. 

Átomos neutros são átomos sem carga elétrica líquida. Portanto, o número de prótons é o mesmo que o de elétrons. 

Ao explorar seus níveis de energia internos, os pesquisadores podem usar átomos neutros como qubits. Os níveis de energia podem ser controlados e manipulados usando lasers e campos magnéticos para executar operações específicas.

Sendo neutros, os átomos não interagem fortemente entre si, tornando possível prender grandes arranjos de átomos e possibilitando a construção de processadores quânticos em larga escala. Além disso, átomos neutros exibem tempos de coerência longos, outro fator que os torna benéficos para a computação quântica.

Mas, claro, há desafios em termos da necessidade de controle preciso sobre aprisionamento, resfriamento e manipulação.

“Este é um momento empolgante para a computação quântica de átomos neutros. Agora podemos ver um caminho para computadores quânticos de grande porte corrigidos por erros. Os blocos de construção já estão no lugar.”

– Investigador principal da pesquisa, Manuel Endres & professor de física na Caltech

Liderado por estudantes de pós‑graduação da Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura e Elie Bataille, o estudo usou pinças ópticas para prender milhares de átomos individuais de césio (Cs) em uma grade. 

Para construir o arranjo de átomos, eles dividiram um feixe de laser em 12.000 pinças, que mantiveram um total de 6.100 átomos em uma câmara de vácuo. “Na tela, podemos realmente ver cada qubit como um ponto de luz”, disse Manetsch. “É uma imagem impressionante de hardware quântico em grande escala.”

Embora a equipe tenha conseguido um novo recorde em escala, essa quantidade não veio à custa da qualidade, pois eles também alcançaram tempos de coerência longos.

A equipe conseguiu manter esses qubits em superposição por cerca de 13 segundos, o que é cerca de dez vezes mais longo do que o que arranjos semelhantes haviam alcançado anteriormente. Além disso, eles puderam manipular qubits individuais com uma precisão de até 99,98%.

De acordo com Nomura:

“Escala grande, com mais átomos, costuma ser vista como comprometendo a precisão, mas nossos resultados mostram que podemos fazer ambos. Qubits não são úteis sem qualidade. Agora temos quantidade e qualidade.”

Além disso, a equipe demonstrou que pode mover os átomos centenas de micrômetros (μm) através do arranjo mantendo a superposição. Pense nisso como equilibrar um copo de água enquanto corre.

“Tentar segurar um átomo enquanto se move é como tentar não deixar o copo de água derramar. Tentar também manter o átomo em estado de superposição é como ter cuidado para não correr tão rápido que a água respingue.”

– Manetsch

Essa capacidade é uma característica chave dos computadores quânticos de átomos neutros, pois permite correção de erros mais eficiente comparada aos qubits supercondutores.

A pesquisa mostra que átomos neutros são um forte candidato para nos ajudar a implementar correção de erros quânticos na escala de milhares de qubits físicos, o que é a próxima grande conquista para o campo.

“Computadores quânticos precisarão codificar informações de forma tolerante a erros, para que possamos realmente fazer cálculos de valor. Ao contrário dos computadores clássicos, qubits não podem simplesmente ser copiados devido ao chamado teorema da não‑cópia, então a correção de erros deve depender de estratégias mais sutis.”

– Bataille

Com o estado de superposição alcançado, que desempenha um papel crucial no processamento e armazenamento de informação, a equipe agora trabalhará no emaranhamento, conectando os qubits em seu arranjo, permitindo que as partículas se comportem como uma única entidade. 

Ao alcançar o estado de emaranhamento, os computadores quânticos poderão executar computações quânticas completas e simular. Ao aproveitar o emaranhamento, os pesquisadores também poderão fazer descobertas científicas inéditas.

“É empolgante que estejamos criando máquinas para nos ajudar a aprender sobre o universo de maneiras que só a mecânica quântica pode nos ensinar.”

– Manetsch

Novas Arquiteturas de Supressão de Erros e Resultados de Hiper‑Emaranhamento

Endres e sua equipe vêm trabalhando em computação quântica há muito tempo. Ele se especializa em controlar átomos individuais usando pinças ópticas para estudar propriedades fundamentais de sistemas quânticos. 

Além do sistema quântico recordista que controla mais de 6.000 átomos individuais, os experimentos de sua equipe levaram a novas técnicas para apagar erros em máquinas quânticas e a um novo dispositivo que pode fornecer os relógios mais precisos do mundo.

Em maio deste ano, eles publicaram um estudo⁴ que aborda o problema do movimento oscilatório dos átomos, que torna difícil controlar o sistema. O que eles fizeram foi usar o próprio problema para codificar informação quântica.

“Mostramos que o movimento atômico, que geralmente é tratado como uma fonte de ruído indesejado em sistemas quânticos, pode ser transformado em uma força.”

Adam Shaw, co‑autor principal do estudo

O experimento deles codificou informação quântica no movimento dos átomos e levou a um estado de hiper‑emaranhamento.

Isso significa que os estados eletrônicos individuais e os estados de movimento dos pares de átomos hiper‑emaranhados estavam correlacionados. A demonstração deles, a primeira de hiper‑emaranhamento em partículas massivas como átomos neutros ou íons, implica ainda que ainda mais características poderiam ser emaranhadas simultaneamente.

“Isso nos permite codificar mais informação quântica por átomo,” disse Endres. “Você obtém mais emaranhamento com menos recursos.”

Para seus experimentos, eles resfriaram um arranjo de átomos neutros de terras alcalinas individuais aprisionados dentro de pinças ópticas, demonstrando uma nova forma de resfriamento via “detecção e correção ativa subsequente de excitações térmicas de movimento”.

A equipe está essencialmente medindo o movimento de cada átomo e então, dependendo do resultado, aplicando uma operação átomo por átomo.

A técnica fez com que os átomos ficassem quase totalmente parados. Os átomos foram então induzidos a oscilar com uma amplitude de 100 nanômetros, o que os excitou em duas oscilações distintas ao mesmo tempo, fazendo com que o movimento estivesse no estado de superposição. 

Os átomos individuais foram então emaranhados com átomos parceiros, que foram ainda mais hiper‑emaranhados para correlacionar o movimento e os estados eletrônicos dos átomos.

“Basicamente, o objetivo aqui era expandir os limites de quanto poderíamos controlar esses átomos. Estamos essencialmente construindo uma caixa de ferramentas: Sabíamos como controlar os elétrons dentro de um átomo, e agora aprendemos a controlar o movimento externo do átomo como um todo. É como um brinquedo atômico que você dominou completamente.”

– Endres

Em outro estudo da Caltech, uma equipe de cientistas baseada no Caltech Center for Quantum Computing no campus da universidade demonstrou uma nova arquitetura de chip quântico⁵ projetada para suprimir erros. 

“Para que os computadores quânticos tenham sucesso, precisamos que as taxas de erro sejam cerca de um bilhão de vezes melhores do que são hoje,” disse Oskar Painter, chefe de hardware quântico da AWS e professor de física na Caltech. Embora as taxas de erro estejam diminuindo, isso acontece a um ritmo lento, “cerca de um fator de dois a cada dois anos”, então, para acelerar esse processo, eles estão desenvolvendo uma nova arquitetura de chip, embora seja “um bloco de construção inicial”.

Os pesquisadores estão usando qubits gato, que têm erros de inversão de bit significativamente reduzidos, com erros de inversão de fase sendo os únicos restantes a corrigir. Isso significa que os pesquisadores podem usar um código de repetição. Em seu novo chip chamado Ocelot, um código de repetição clássico significa que não é necessário tantos qubits para corrigir erros.

“Demonstramos uma arquitetura mais escalável que pode reduzir o número de qubits adicionais necessários para correção de erros em até 90 por cento.“

– Fernando Brandão, professor de Física Teórica na Caltech e diretor de ciência aplicada na AWS

Para alcançar isso, o chip Ocelot combina cinco qubits gato, circuitos de buffer especiais para estabilizar sua oscilação, e quatro qubits de suporte para detectar erros de fase. O código de repetição tem se mostrado eficaz na captura dos erros de inversão de fase, melhorando à medida que o código aumenta de três para cinco qubits gato.

Investindo em Tecnologia Quântica

Agora, um dos players mais puros da computação quântica no mercado é IonQ (IONQ ), que adota a abordagem de íons aprisionados para tornar a tecnologia uma realidade. O que realmente faz com que ela se destaque são as portas de alta fidelidade, a integração com as principais plataformas de nuvem, aquisições agressivas e forte crescimento de patentes, embora os custos de escala apresentem um grande desafio.

IonQ

Fundada há uma década com base em anos de pesquisa na Universidade de Maryland e na Duke University, a IonQ está desenvolvendo computadores quânticos de íons aprisionados. O objetivo da empresa é levar essa tecnologia para aplicações comerciais, industriais e acadêmicas. 

Para isso, a empresa está focada em átomos ionizados, que acredita poderem permitir que seus computadores realizem cálculos mais sofisticados por mais tempo e com menos erros.

Só este mês, a IonQ afirmou ter alcançado mais de 99,9% de fidelidade em portas de dois qubits em suas plataformas de desenvolvimento de bário, aproximando‑se de seu sistema comercial, IonQ Tempo.

Esse marco “marca um limiar crítico para sistemas de nível empresarial,” disse o SVP de Engenharia e Tecnologia da IonQ, Dean Kassmann, observando que “quanto melhor a fidelidade nativa da porta, menos correção de erros em todas as formas será necessária. Maior fidelidade também é essencial para aplicações quânticas mais rápidas e precisas.”

O uso de íons de bário como qubits representa uma mudança em relação aos íons de ítrio que a empresa utilizou na maior parte de sua história. Íons de bário foram escolhidos por suas velocidades de porta aumentadas, limite de fidelidade nativa mais alto, melhor estabilidade, menores erros de preparação/medição de estado (SPAM) e desempenho geral superior. 

A IonQ também ostenta um portfólio robusto de patentes que já ultrapassou 1.000, o que, segundo a empresa, a posiciona para desenvolver sistemas escaláveis, de alto desempenho e custo‑efetivo, acelerando seu cronograma para uma vantagem comercial quântica incomparável.

Em 29 de setembro de 2025, a IONQ fechou em US$ 64,26 (máxima histórica de US$ 75,14 em 23 de setembro de 2025). Isso representa cerca de 7,4× acima dos US$ 8,74 de fechamento em 30 de setembro de 2024. O desempenho acumulado no ano varia conforme a janela de fonte, mas gira em torno de ~+50–90%. A capitalização de mercado está em torno de US$ 20–22 bi.

A empresa tem um EPS (TTM) de -2,02 e um P/E (TTM) de -33,35.

Quanto às finanças, a IonQ reportou US$ 20,7 milhões em receita no segundo trimestre encerrado em 30 de junho de 2025. O prejuízo líquido foi de US$ 177,5 milhões. Caixa, equivalentes de caixa e investimentos ao final do período eram US$ 656,8 milhões.

Durante este trimestre, a empresa reforçou seu balanço por meio do maior investimento de capital próprio de uma única instituição na indústria. A IonQ também concluiu a aquisição da empresa de interconexão quântica Lightsynq e da empresa de tecnologia espacial Capella, e propôs a aquisição da Oxford Ionics por US$ 1,075 bilhão.

“A combinação da expertise de hardware e software da IonQ com a implementação da Oxford de ion‑trap‑on‑a‑chip fornece à equipe, IP, tecnologia e impulso para alcançar 800 qubits lógicos em 2027 e 80 000 qubits lógicos em 2030.”

– CEO Niccolò de Masi

No segundo trimestre, a IonQ reportou alcançar até 20× de aceleração em um fluxo de trabalho de química computacional acelerada por quantum (para desenvolvimento de fármacos) em colaboração com a AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ) e AWS.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da IonQ (IONQ)

Conclusão

A tecnologia quântica é amplamente esperada para revolucionar indústrias ao resolver problemas complexos. O experimento recordista na Caltech demonstra que a computação quântica de grande escala e corrigida por erros pode estar se aproximando da realidade.

Com pesquisas como essa, juntamente com novas arquiteturas, avanços em materiais e players comerciais acelerando o desenvolvimento, a tecnologia quântica pode se tornar uma ferramenta universalmente implantável nos próximos anos, possibilitando avanços na ciência e na sociedade.

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

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Arrays de Pinças Ópticas de Átomos de Érbio. Physical Review Letters, 133, 223402. Publicado em 26 novembro de 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, December 9). Conheça Willow, nosso chip quântico de última geração. Google Research Blog. Retrieved from https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). Um arranjo de pinças com 6100 qubits atômicos altamente coerentes. Nature. Publicado em 24 setembro de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). Um arranjo de pinças com 6100 qubits atômicos altamente coerentes. Nature. (Version of Record), published 24 setembro de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Correção de erros quânticos eficiente em hardware via qubits bosônicos concatenados. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), published 26 fevereiro de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7