Conduzindo o Futuro Quântico: Interferência Fonônica e Novos Materiais

Ao contrário dos computadores clássicos, como nossos laptops e smartphones, um computador quântico utiliza as propriedades da física quântica para realizar cálculos e armazenar dados, tornando‑o melhor até mesmo que alguns dos melhores supercomputadores atuais em determinadas tarefas.

Em contraste com a codificação de informações em bits binários (0 ou 1) como os computadores comuns, a unidade básica de memória de um computador quântico é um qubit, que é criado usando sistemas físicos como o spin de um elétron ou a orientação de um fóton. 

Bits quânticos, ou qubits, podem ser organizados de muitas maneiras diferentes ao mesmo tempo. Isso significa que eles podem representar simultaneamente 0 e 1, uma propriedade chamada superposição quântica. Qubits também podem ser ligados através do emaranhamento quântico, onde as partículas conectadas compartilham o mesmo destino independentemente da distância entre elas.

Como resultado, acredita‑se que um computador quântico tenha a capacidade de realizar cálculos exponencialmente mais rápidos que qualquer computador clássico. 

Com esse benefício, os computadores quânticos prometem revolucionar a computação moderna. Teoricamente, eles podem otimizar logística, quebrar esquemas de criptografia prevalentes, possibilitar a descoberta de novos fármacos e materiais, e ajudar físicos a realizar simulações físicas. 

Embora os computadores quânticos ainda não sejam uma realidade, a busca por criar um prático está acelerando à medida que grandes empresas de tecnologia trabalham para escalar de pequenos experimentos de laboratório para sistemas totalmente operacionais nos próximos anos.

A IBM já divulgou seu plano detalhado, com Jay Gambetta, chefe da iniciativa quântica da IBM, dizendo ao Financial Times que não é mais um sonho:

“Realmente sinto que deciframos o código e seremos capazes de construir essa máquina até o final da década.”

Enquanto a Google, empresa da Alphabet (GOOG ) também está confiante em sua capacidade de produzir um sistema em escala industrial nesse período, Amazon (AMZN ) prevê algumas décadas a mais para que essas máquinas se tornem realmente úteis.

Há claramente um forte foco nessa tecnologia emergente entre os maiores players da indústria, embora sua adoção no mundo real continue sendo obstruída por vários desafios.

Isso inclui a suscetibilidade dos qubits a perturbações no ambiente, também conhecidas como “ruído”. Fatores como calor, vibrações e campos eletromagnéticos podem fazer um qubit perder suas propriedades quânticas. Esse processo, conhecido como decoerência quântica, faz o sistema falhar e introduz erros nos cálculos. Essa sensibilidade é um grande desafio na construção e operação de computadores quânticos.

Para proteger os qubits de interferências externas, os cientistas os isolam fisicamente, mantêm‑nos refrigerados ou os bombardeiam com pulsos concentrados de energia.

Além do ruído, correção de erros, escalabilidade, conhecimento especializado, alto consumo de recursos e integração com sistemas clássicos são outros desafios enfrentados pelos computadores quânticos. A boa notícia é que essas questões estão sendo ativamente abordadas por empresas e cientistas por meio de diferentes abordagens para tornar os computadores quânticos uma realidade. 

Neglectons: Partículas Ignoradas na Computação Quântica

Uma das maneiras de superar a fragilidade dos qubits para construir computadores quânticos estáveis é emparelhá‑los com elementos matemáticos que antes eram vistos como irrelevantes. 

Essa descoberta foi relatada por matemáticos na semana passada, que observaram que partículas negligenciadas chamadas “neglectons” podem ajudar a revolucionar o setor¹.

A quasipartícula discutida aqui é chamada de anyon de Ising, que existe apenas em sistemas 2D e é o núcleo da computação quântica topológica. Isso significa que os anyons não armazenam informação nas partículas, mas na forma como elas se entrelaçam, o que é muito mais resistente ao ruído. O problema é que os anyons de Ising não são universais.

Para contornar isso, a equipe recorreu à “teoria de campo quântico topológico não‑semissimples”. Essa teoria permite prever novas partículas desconhecidas “apenas compreendendo a simetria do que acontece”.

De acordo com isso, cada partícula tem uma dimensão quântica, um número que reflete quanta “peso” ou influência ela tem no sistema. Embora a partícula de peso zero seja geralmente descartada, nas novas versões não‑semissimples, essas partículas são mantidas antes de descobrir como fazer com que esse número não seja zero.

Os pedaços negligenciados reinterpretados fornecem as capacidades ausentes dos anyons de Ising. 

O estudo demonstrou que, com apenas um neglecton, a partícula é capaz de computação universal apenas através do entrelaçamento. Notavelmente, os anyons de Ising podem criar superposições, pois dependem da forma do caminho de entrelaçamento e não de posições precisas, e são naturalmente protegidos contra muitos tipos de ruído.

Treinando IA para Reorganizar Átomos de Forma Eficiente

Em outro caso, os pesquisadores usaram IA para montar o “cérebro” de um computador quântico².

O que a equipe fez foi empregar inteligência artificial para propor a forma mais otimizada de montar rapidamente uma rede de átomos que possa atuar como o cérebro de um computador quântico no futuro.

Segundo o co‑autor do estudo, Jian‑Wei Pan, físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China:

“IA para a ciência está surgindo como um paradigma poderoso para enfrentar problemas científicos complexos.”

Ao construir “arranjos de átomos neutros”, o desafio é descobrir como reorganizá‑los de maneira “eficiente, rápida e escalável”, o que a IA resolveu.

Átomos neutros, íons aprisionados e circuitos supercondutores são usados por pesquisadores para criar qubits devido à sua capacidade de manter estados quânticos por um tempo relativamente longo. Quando átomos são usados como qubits, eles são aprisionados com luz laser e armazenam informação quântica nos níveis de energia de seus elétrons.

A ideia é usar átomos suficientes para ajudar um computador quântico a superar erros. Assim, a equipe treinou o modelo de IA sobre como átomos de rubídio (Rb) podem ser posicionados em diferentes configurações de grade usando vários padrões de luz laser. Depois, com base nas posições iniciais dos átomos, o modelo de IA pode calcular o padrão exato de luz necessário para reorganizá‑los em formas 2D e 3D.

Usando seu modelo de IA, a equipe montou um arranjo de até 2.024 átomos de rubídio em apenas 60 milissegundos. O estudo observou:

“Este protocolo pode ser usado prontamente para gerar arranjos livres de defeitos de dezenas de milhares de átomos com as tecnologias atuais e tornar‑se uma caixa de ferramentas útil para correção de erros quânticos.”

Destilação de Estado Mágico de Qubits Lógicos

Enquanto isso, no mês passado, cientistas alcançaram um avanço de “estado mágico”³ para construir computadores quânticos sem erros.

Os cientistas demonstraram efetivamente um fenômeno chamado “destilação de estado mágico”, que, embora proposto há duas décadas, não era usado em qubits lógicos até agora. Isso ocorre apesar de ser considerado crítico para produzir “estados mágicos”, que são necessários para liberar todo o potencial dos computadores quânticos.

Esses estados são preparados antecipadamente para serem consumidos como recursos por algoritmos quânticos complexos.

Para sua utilização por algoritmos, os estados mágicos de mais alta qualidade são primeiro “purificados” por meio de um processo de filtragem chamado destilação de estado mágico. Embora possível em qubits físicos simples e propensos a erros, esse processo não é viável em qubits lógicos que são configurados para detectar e corrigir erros.

Agora, pela primeira vez, cientistas mostraram a destilação de estado mágico na prática em qubits lógicos.

Usando o computador quântico Gemini de átomos neutros, os cientistas destilaram cinco estados mágicos imperfeitos em um estado mágico mais puro. Ao realizar isso em um qubit lógico de Distância‑3 e outro de Distância‑5 separadamente, demonstraram que o processo de destilação escala com a qualidade do qubit lógico.

Como resultado, a fidelidade do estado mágico final supera a de qualquer entrada, confirmando que a destilação de estado mágico resistente a perturbações funciona de fato na prática.

Desbloqueando a Memória Quântica com Ondas Sonoras

Agora, na semana passada, cientistas do Caltech publicaram sua pesquisa que demonstrou ondas sonoras abrindo mais um caminho para a computação quântica prática⁴.

Eles construíram uma memória quântica híbrida que transforma informação elétrica em som. Isso permite que estados quânticos vivam até trinta vezes mais que em sistemas supercondutores padrão, onde ressonadores cuidadosamente projetados permitem que elétrons formem qubits supercondutores excelentes para operações rápidas e complexas, mas não são adequados para armazenamento de longo prazo. 

Armazenar informação em estados quânticos continua sendo um desafio; para enfrentá‑lo, pesquisadores estão criando “memórias quânticas” que mantêm a informação por um período superior ao dos qubits supercondutores amplamente usados. E o método híbrido inovador da equipe do Caltech estendeu a memória quântica. 

“Uma vez que você tem um estado quântico, pode não querer fazer nada com ele imediatamente. Você precisa de uma forma de voltar a ele quando quiser executar uma operação lógica. Para isso, você precisa de uma memória quântica.”

– Mohammad Mirhosseini, professor assistente de engenharia elétrica e física aplicada

Assim, a equipe criou um qubit supercondutor em um chip e o conectou a um pequeno dispositivo chamado oscilador mecânico, que basicamente é um diapasão em escala reduzida. 

Esse oscilador é composto por placas flexíveis que vibram em resposta a ondas sonoras de frequências GHz. Ao aplicar uma carga elétrica, essas placas interagem com sinais elétricos que carregam informação quântica, permitindo que a informação seja encaminhada para o dispositivo para armazenamento como uma “memória” e, posteriormente, liberada novamente, ou “lembrada”.

Ao medir, os pesquisadores descobriram que o oscilador tinha uma vida útil, ou seja, o tempo que leva para perder conteúdo quântico depois que a informação é inserida no dispositivo, que foi cerca de 30 vezes maior que a dos melhores qubits supercondutores.

Em meio a todo esse progresso, dois novos estudos apoiados pela National Science Foundation alcançaram avanços que nos aproximam ainda mais do uso prático de computadores quânticos.

Novos Materiais Quânticos para Qubits Estáveis

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Chalmers, da Universidade de Helsinki e da Universidade Aalto revelou um material quântico que pode mudar a computação quântica para sempre, tornando os computadores quânticos mais estáveis. Ele faz isso usando magnetismo para proteger os frágeis qubits do ruído. 

Quando combinado com sua ferramenta computacional para encontrar materiais com interações magnéticas, essa descoberta pode finalmente levar a computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas.

O novo tipo de material quântico, junto com um método para alcançar estabilidade, pode tornar os computadores quânticos mais resilientes, abrindo caminho para seu uso prático em cálculos quânticos.

Recentemente, pesquisadores têm explorado ativamente a possibilidade de criar materiais totalmente novos para resolver o problema do ruído, fornecendo a proteção necessária contra perturbações em sua topologia.

Estados quânticos que ocorrem e são sustentados pela própria estrutura inerente do material usado para criar qubits são chamados de excitações topológicas. Elas são robustas e estáveis. O desafio, porém, permanece em encontrar materiais que naturalmente suportem estados quânticos robustos.

O estudo mais recente desenvolveu com sucesso um desses novos materiais quânticos para qubits que exibem excitações topológicas robustas⁵.

Isso representa um passo promissor rumo à computação quântica topológica prática, com estabilidade incorporada ao design do material.

De acordo com o autor principal do estudo, Guangze Chen, pesquisador de pós‑doutorado em física quântica aplicada na Chalmers:

“Este é um tipo completamente novo de material quântico exótico que pode manter suas propriedades quânticas quando exposto a perturbações externas. Ele pode contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos robustos o suficiente para lidar com cálculos quânticos na prática.”

‘Materiais quânticos exóticos’ refere‑se a várias novas classes de sólidos com alta resiliência e propriedades quânticas extremas, e a busca por tais materiais tem sido um desafio por muito tempo.

Agora, quanto ao novo método da equipe, o magnetismo é a chave. O que os pesquisadores tradicionalmente faziam era seguir uma “receita” longa baseada no acoplamento spin‑órbita (SOC). Isso é uma interação quântica que liga o spin de um elétron ao seu movimento orbital ao redor do núcleo atômico para criar excitações topológicas. 

Mas isso é relativamente raro e pode ser usado apenas em um número limitado de materiais. Assim, a equipe apresentou um novo método para alcançar o mesmo efeito. O método inovador utiliza o magnetismo, que é mais comum e acessível.

Aproveitando as interações magnéticas, a equipe conseguiu criar excitações topológicas robustas necessárias para a computação quântica topológica.

“A vantagem do nosso método é que o magnetismo existe naturalmente em muitos materiais. Você pode comparar isso a assar com ingredientes cotidianos em vez de usar especiarias raras,” observou Chen. “Isso significa que agora podemos buscar propriedades topológicas em um espectro muito mais amplo de materiais, incluindo aqueles que antes foram negligenciados.”

Além de um novo material e método, os pesquisadores também desenvolveram uma ferramenta computacional totalmente nova.

A ferramenta os ajudou a encontrar novos materiais com propriedades topológicas desejadas mais rapidamente. Ela pode calcular diretamente o quão forte é o comportamento topológico de um material.

“Nossa esperança é que essa abordagem ajude a guiar a descoberta de muitos mais materiais exóticos,” disse Chen. “Em última análise, isso pode levar a plataformas de computadores quânticos de próxima geração, construídas sobre materiais que são naturalmente resistentes às perturbações que afligem os sistemas atuais.”

Explorando o Poder Não Aproveitado dos Fônons

Outro avanço foi alcançado por pesquisadores da Rice University, que pode abrir caminho para tecnologias de próxima geração em detecção e computação. Este estudo mostrou uma forte forma de interferência entre fônons⁶.

Fônons são vibrações na estrutura de um material que constituem as menores unidades de calor ou som nesse sistema. 

Quando dois fônons com distribuições de frequência diferentes interferem entre si, esse fenômeno é conhecido como ressonância de Fano. O estudo relatou uma ressonância de Fano duas ordens de magnitude maior que nunca antes.

“Embora esse fenômeno seja bem estudado para partículas como elétrons e fótons, a interferência entre fônons tem sido muito menos explorada,” disse o primeiro autor do estudo, Kunyan Zhang, ex‑pós‑doutorando na Rice. “Isso é uma oportunidade perdida, já que fônons podem manter seu comportamento ondulatório por muito tempo, tornando‑os promissores para dispositivos estáveis e de alto desempenho.”

O estudo demonstrou efetivamente que fônons podem ser aproveitados com tanto sucesso quanto luz ou elétrons, abrindo caminho para tecnologias baseadas em fônons de nova geração. A base desse avanço é o uso de um metal 2D sobre uma base de carbeto de silício.

Entre uma camada de grafeno e carbeto de silício, a equipe inseriu algumas camadas de átomos de prata usando a técnica de heteroepitaxia de confinamento, produzindo uma interface fortemente ligada com propriedades quânticas excepcionais.

“O metal 2D desencadeia e intensifica a interferência entre diferentes modos vibracionais no carbeto de silício, atingindo níveis recordes.”

– Zhang

Para seu trabalho, a equipe explorou apenas como fônons interferem entre si. Para isso, analisaram a forma do sinal em espectroscopia Raman, técnica usada para medir os modos vibracionais de um material. Os pesquisadores encontraram uma forma de linha marcadamente assimétrica, que apresentava um mergulho completo em alguns casos, formando um padrão de anti‑ressonância característico de interferência intensa.

Esse efeito mostrou alta sensibilidade às especificidades da superfície do carbeto de silício (SiC).

Ao comparar três terminações de superfície únicas de SiC, os pesquisadores encontraram uma forte correlação entre cada uma delas e a forma única da linha Raman. Além disso, a forma da linha espectral mudou drasticamente quando uma única molécula corante foi introduzida na superfície.

“Essa interferência é tão sensível que pode detectar a presença de uma única molécula,” disse Zhang. “Ela permite a detecção de moléculas individuais sem rótulo com um arranjo simples e escalável. Nossos resultados abrem um novo caminho para usar fônons em sensoriamento quântico e detecção molecular de próxima geração.”

Ao analisar a dinâmica do efeito em baixas temperaturas, confirmou‑se que a interferência provém puramente de interações entre fônons e não de elétrons, tornando‑se um caso raro de interferência quântica exclusivamente de fônons. 

A equipe observou esse efeito somente no sistema 2D de carbeto de silício que usaram devido às configurações de superfície e caminhos de transição especiais habilitados pela camada fina.

“Comparado a sensores convencionais, nosso método oferece alta sensibilidade sem a necessidade de rótulos químicos especiais ou configurações de dispositivo complicadas,” disse a co‑autora Shengxi Huang, professora associada de engenharia elétrica e de computação e ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice. “Essa abordagem baseada em fônons não só avança o sensoriamento molecular, mas também abre possibilidades empolgantes em colheita de energia , gerenciamento térmico e tecnologias quânticas, onde controlar vibrações é fundamental.”

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Investindo em Computação Quântica

Várias grandes gigantes de tecnologia e investidores estão apostando alto em avanços quânticos. Isso inclui nomes como IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), e muitos mais. Todos estão ampliando suas iniciativas quânticas, enquanto o capital de risco continua fluindo ininterruptamente para startups que exploram novos materiais, correção de erros e tecnologias fonônicas.

Microsoft (MSFT )

Entre todos esses grandes nomes, a Microsoft se destaca significativamente. Ela tem impulsionado investimentos tanto em computação quântica quanto em fusão, apresentando‑os como tecnologias complementares para alimentar data centers movidos por IA no futuro. De forma semelhante, o laboratório de IA quântica da Google e os roteiros quânticos de vários anos da IBM refletem seu objetivo de alcançar máquinas quânticas práticas dentro da década.

O preço das ações da Microsoft subiu de cerca de US$354 no início de abril de 2025 para um pico acima de US$524 em agosto, antes de recuar para cerca de US$509 em 19 de agosto. A avaliação atual da empresa inclui um índice P/E de 38,1, com lucro por ação (TTM) de US$13,70 e rendimento de dividendos de 0,59%. E para o FY2025, a receita foi de US$281,7 bilhões e o lucro líquido de US$101,8 bilhões. A demanda por seus negócios de nuvem e IA, em particular, está ajudando a impulsionar seu desempenho.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Microsoft Corporation (MSFT)

Conclusão

Os computadores quânticos possuem a capacidade de executar cálculos complexos a velocidades que superam em muito as dos computadores clássicos, o que promete possibilitar avanços em diversas áreas, incluindo descoberta de fármacos, ciência de materiais, IA e criptografia.

Mas, claro, os computadores quânticos ainda estão longe de se tornarem uma realidade atual, enfrentando desafios como ruído, escalabilidade, estabilidade, armazenamento, memória e controle. Por outro lado, os pesquisadores avançam constantemente em todas essas frentes, aproximando‑nos cada vez mais de desbloquear computadores quânticos práticos!

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Referências:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Computação quântica universal usando anyons de Ising de uma teoria de campo quântico topológico não‑semissimples. Nature Communications, 16, 6408, publicado em 05 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025, 15 de agosto). IA ajuda a montar o ‘cérebro’ do futuro computador quântico. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Demonstração experimental de destilação de estado mágico lógico. Nature, publicado em 14 de julho de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. Uma memória quântica mecânica para fótons de micro‑ondas. Nature Physics, publicado em 13 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Modos zero topológicos e bombeamento de correlação em uma rede Kondo projetada. Physical Review Letters, 134(11), 116605, publicado em março de 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interferência quântica fonônica sintonizável induzida por metais bidimensionais. Science Advances, 11, eadw1800, publicado em 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800