Chips Quânticos Próximos da Realidade com Design de Silício Escalável

Pesquisadores da Diraq apresentaram um método comercialmente viável para fabricar bits quânticos de alta fidelidade em grande escala, com potencial para transformar o setor de computação. A prova de conceito utiliza processos tradicionais, empregados há décadas, para produzir chips quânticos confiáveis, escaláveis, tolerantes a falhas e capazes de preservar a fidelidade máxima. Veja o que é preciso saber.

A Demanda por Computadores Quânticos Acessíveis Está Crescendo

A demanda por serviços e especialistas em computação quântica está crescendo. Segundo relatórios recentes, as empresas gastaram US$ 2,35 bilhões em serviços quânticos no último ano. O setor também registrou forte aumento nas contratações: estatísticas do LinkedIn indicam crescimento de 180% no número de empresas procurando profissionais de tecnologia quântica entre 2020 e 2024.

Há várias razões para esse aumento, entre elas as aplicações militares. Forças armadas em todo o mundo investiram recursos significativos na expectativa de obter vantagem competitiva.

Iniciativa de Benchmarking Quântico

A Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dos Estados Unidos, está conduzindo a Quantum Benchmarking Initiative. O objetivo é determinar se chips de computação quântica podem ganhar escala e tornar-se mais duráveis do que os projetos atuais, cujo estado quântico é frágil.

Para cumprir essa tarefa, 18 empresas foram selecionadas para competir pelo alcance da chamada escala de utilidade no setor quântico. O termo descreve a capacidade de resolver problemas muito além do alcance dos supercomputadores atuais.

Isso exigirá correção de erros em tempo real para atender aos requisitos de alta fidelidade. Fidelidade significa a precisão do chip. Os engenheiros precisarão criar um chip quântico capaz de armazenar e acessar enormes volumes de informação, mantendo mais de 100 qubits de modo confiável apesar da fragilidade do estado quântico.

Chips Quânticos Baseados em Silício

Muitos projetos de chips quânticos já foram usados para criar hardware quântico. No entanto, os chips baseados em silício oferecem vantagens importantes.

Eles podem aproveitar bilhões de dólares em infraestrutura e técnicas de fabricação já disponíveis para chips tradicionais. Além disso, um único chip pode acomodar milhões de qubits posicionados com precisão para viabilizar computação quântica eficiente.

Próximos Passos

Diante do potencial da tecnologia de spin-qubits de silício, os engenheiros buscaram maneiras de aprimorar esses chips e realizaram extensos testes de laboratório. Os resultados mostraram-se precisos, mas ainda não havia sido avaliado se a mesma precisão poderia ser obtida com métodos tradicionais de fabricação em escala industrial.

Fonte: Nature

Para isso, os engenheiros precisam superar vários desafios de materiais. O projeto deve considerar a interferência provocada por ruído de carga e desordem estática, problemas que surgem de defeitos e armadilhas nas interfaces e nos óxidos presentes nos chips de silício.

Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala

O estudo recente Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹ , publicado na Nature em 24 de setembro, oferece informações valiosas sobre as métricas essenciais para produzir chips quânticos escaláveis.

O trabalho relaciona o monitoramento em tempo real à capacidade de corrigir erros quânticos, destacando correlações entre o ruído elétrico e o transporte em barras Hall. Como parte da pesquisa, a Diraq também criou um novo software de modelagem de chips.

A empresa trabalhou com a fabricante de chips imec, responsável pela produção final do dispositivo. Em seguida, a equipe criou vários projetos usando wafers de silício e geometria CMOS tradicional.

Ferramentas Padronizadas

Os engenheiros escolheram vários dispositivos de dois qubits que usam estruturas planares de metal–óxido–semicondutor com portas de polissilício. Os dispositivos foram produzidos com ferramentas-padrão da indústria em uma foundry de 300 mm. A arquitetura incluía um ponto quântico duplo e um transistor de elétron único (SET), que fornecia leitura de spin em tempo real.

Os quatro elétrons do ponto duplo formados sob os eletrodos das portas de controle permitem regular o acoplamento por tunelamento entre os pontos e analisar o ruído. A unidade foi então colocada em um refrigerador de diluição de 3He/4He, ajustado à temperatura-base de 10 mK em modo isolado.

Teste do Novo Projeto de Chip Quântico

Para testar o dispositivo, a equipe o submeteu a várias condições experimentais no laboratório da UNSW. Primeiro, avaliou as funções primárias dos qubits, incluindo portas de um e dois qubits, e registrou as taxas de erro.

A equipe utilizou uma ferramenta avançada de tomografia de conjunto de portas (GST) para observar o estado quântico em tempo real. Isso permitiu identificar fatores de interferência, como crosstalk, e separar erros estocásticos de erros coerentes.

Após documentar quatro projetos, os pesquisadores realizaram medições por sondagem criogênica em outras 16 opções. Cada chip tinha forma e arquitetura ligeiramente diferentes, ajudando a equipe a entender como o projeto oferece controle eletrostático uniforme sobre os eletrodos das portas.

Resultados do Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala

Os testes confirmaram o sucesso do conceito. A equipe demonstrou qubits de alto desempenho em um wafer de 300 mm usando foundries convencionais. O chip funcionou como previsto e superou 99% de precisão nos quatro dispositivos, tanto no controle de um qubit quanto no de dois qubits.

Os resultados indicam que o chip quântico de silício da Diraq pode ser produzido em massa com técnicas CMOS tradicionais, abrindo caminho para a fabricação em grande escala de dispositivos quânticos de próxima geração.

Benefícios do Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala

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O estudo oferece muitos benefícios ao setor. Ele produziu conhecimento científico importante para superar limitações técnicas das estratégias de fabricação quântica em grande escala e mostrou como integrar chips quânticos à produção em massa no futuro.

Precisão

Uma das principais descobertas foi que o processo de foundry não reduziu a precisão nem a fidelidade dos chips. Na verdade, os chips de silício mantiveram precisão de nível mundial quando produzidos com técnicas avançadas de spin-qubit combinadas à correção de erros em tempo real.

Fabricação em Massa

O principal objetivo era demonstrar que computadores quânticos de silício podem aproveitar a indústria madura de semicondutores. Os engenheiros atingiram essa meta, abrindo caminho para a adoção desses chips em grande escala.

Aplicações no Mundo Real e Cronograma

O estudo tem diversas aplicações. Ele oferece um caminho viável para produzir chips quânticos de silício confiáveis em grande escala. Esses dispositivos terão papel importante em setores de alta tecnologia, como IA, aeroespacial, medicina, modelagem climática e muitos outros.

Cronograma da Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala

Ainda levará de sete a dez anos para que dispositivos quânticos acessíveis apareçam nas lojas de informática. Mesmo assim, este trabalho prepara o caminho para computadores quânticos com preços razoáveis na próxima década.

Pesquisadores do Estudo de Fabricação de Chips Quânticos

Para realizar o estudo, a Diraq—startup de nanotecnologia da UNSW Sydney—colaborou com o instituto europeu de nanoeletrônica Interuniversity Microelectronics Centre (imec). A Diraq já havia apresentado um chip de silício cujos qubits eram fabricados em laboratório por processos CMOS.

Esse passo incentivou a equipe a avançar a tecnologia e empregar métodos de fabricação em grande escala. A conquista abre caminho para a produção em massa de chips quânticos de silício destinados a aplicações que vão do transporte a dispositivos médicos.

Direções Futuras da Pesquisa

Os engenheiros pretendem investigar configurações maiores e ocupações eletrônicas mais elevadas. O objetivo é compreender melhor a origem física dos mecanismos de erro observados e criar modelos capazes de prever e evitar essas ocorrências. Se tiver êxito, o trabalho estabelecerá um caminho claro para um desempenho ainda maior.

Investindo em Computação Quântica

Vários desenvolvedores de computadores quânticos atuam globalmente. Essas empresas continuam ampliando os limites da computação e investindo em P&D para reduzir os custos de fabricação. A empresa a seguir permanece entre as pioneiras e é reconhecida como líder do setor.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) entrou no mercado em 2013. Com sede na Califórnia, foi fundada pelo físico Chad Rigetti. Seu foco inicial era criar e manter qubits supercondutores, incluindo sistemas quânticos supercondutores full-stack e outros equipamentos essenciais.

A Rigetti sempre atuou como pioneira. Em 2016, apresentou seu primeiro processador quântico. O chip de três qubits abriu caminho para inovações posteriores, como o ambiente de programação quântica Forest, que ajudou no desenvolvimento de algoritmos.

Em 2017, foi lançado o Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), oferecendo às empresas acesso a chips quânticos avançados. No mesmo ano, a companhia abriu uma nova foundry em Fremont, Califórnia, reforçando sua posição e capacidade de produção.

Em 2024, a Rigetti demonstrou processadores de 32 qubits e depois firmou uma parceria estratégica com a AWS. Essas iniciativas fortaleceram sua posição de mercado e a confiança dos clientes. Hoje, a empresa é vista como uma forma de obter exposição ao setor de computação quântica.

Últimas Notícias e Desempenho das Ações da Rigetti Computing (RGTI)

Estudo de Fabricação de Chips Quânticos em Grande Escala | Conclusão

Há muitas razões pelas quais chips quânticos de silício capazes de aproveitar a indústria madura de semicondutores representam um avanço para todos. Além de reduzir custos e impulsionar novas pesquisas, eles estimularão mais inovação tecnológica no futuro.

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Referências

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}