Impulsionando 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, o que o torna melhor do que alguns dos melhores supercomputadores atuais em determinadas tarefas.

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

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

Como resultado, um computador quântico acredita-se ter a capacidade de realizar cálculos exponencialmente mais rápido que qualquer computador clássico. 

Com esse benefício, os computadores quânticos prometem revolucionar a computação moderna. Teoricamente, eles podem otimizar a logística, quebrar esquemas de criptografia predominantes, possibilitar a descoberta de novos medicamentos e materiais e auxiliar físicos na realização de simulações físicas. 

Embora os computadores quânticos ainda não tenham se tornado uma realidade, a busca para criar um prático está acelerando à medida que grandes empresas de tecnologia trabalham para expandir de pequenos experimentos de laboratório para sistemas totalmente funcionais nos próximos anos.

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

“Eu realmente sinto que deciframos o código e seremos capazes de construir esta máquina até o final da década.”

Enquanto o Google, um Alfabeto (GOOG ) empresa de propriedade, também está confiante em sua capacidade de produzir um sistema em escala industrial neste período de tempo, Amazon (AMZN ) espera mais algumas décadas para que essas máquinas se tornem realmente úteis.

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

Esta inclui a suscetibilidade dos qubits a perturbações no ambiente, também conhecidas como “ruído”. Fatores como calor, vibrações e campos eletromagnéticos pode fazer com que um qubit perca suas propriedades quânticas. Este processo, conhecido como decoerência quântica, faz com que o sistema falhe e introduzir 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, os mantêm resfriados ou os atingem com rajadas concentradas de energia.

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

Neglectons: Partículas negligenciadas na computação quântica

Uma das maneiras de superar a fragilidade dos qubits para construir computadores quânticos estáveis ​​é emparelhá-los com elementos matemáticos que foram vistos anteriormente como irrelevante. 

Esta descoberta foi relatada por matemáticos na semana passada, que notaram que partículas esquecidas chamadas “neglectons” podem ajudar a revolucionar o setor¹.

A quasipartícula discutida aqui é chamada de ânions de Ising, que existe apenas em sistemas bidimensionais e é o núcleo da computação quântica topológica. Isso significa que os ânions não armazenam informações nas partículas, mas na maneira como elas se entrelaçam, o que é muito mais resistente a ruídos. O problema aqui é que os ânions de Ising não são universais.

Para abordar isso, a equipe recorreu à "teoria quântica de campos topológica não semissimples". Essa teoria permite a previsão de novas partículas desconhecidas "apenas pela compreensão da simetria do que acontece".

Dessa forma, cada partícula tem uma dimensão quântica, um número que reflete quanto “peso” ou influência ela tem no sistema. Embora a partícula com peso zero seja geralmente descartada, nas novas versões não semi-simples, essas partículas são mantidos antes descobrindo como faça com que esse número não seja zero.

As peças negligenciadas reinterpretadas fornecem as capacidades que faltam aos anyons de Ising. 

O estudo demonstrou que, com apenas um negligência, a partícula é capaz de realizar cálculos universais apenas por meio de trançamento. Notavelmente, íons de Ising podem criar superposições, pois dependem da forma do caminho da trança e não de localizações precisas. são naturalmente blindados de muitos tipos de ruído.

Treinamento de IA para reorganizar átomos de forma eficiente

Em outro caso, os pesquisadores usou IA para montar o 'cérebro' de um computador quântico².

O que Profissionais o que eles fizeram empregou inteligência artificial para encontrar a maneira mais otimizada para montar rapidamente uma rede de átomos que pode atuar como o cérebro de um computador quântico algum dia no futuro.

De acordo com o coautor do estudo, Jian-Wei Pan, físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China:

“A IA para a ciência está emergindo como um paradigma poderoso para abordar problemas científicos complexos.”

Ao construir 'matrizes de átomos neutros', o desafio é descobrir como reorganizá-los de uma "maneira eficiente, rápida e escalável", o que a IA resolveu.

Átomos neutros, íons presos e circuitos supercondutores são usados por pesquisadores para criar qubits devido à sua capacidade de manter estados quânticos por um tempo relativamente longo. Quando os átomos são usados como qubits, eles estão presos com luz laser e armazenar informações quânticas nos níveis de energia de seus elétrons.

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

Usando seu modelo de IA, a equipe montou uma matriz de até 2,024 átomos de rubídio em apenas 60 milissegundos. O estudo observou:

"Este protocolo pode ser facilmente utilizado para gerar matrizes livres de defeitos de dezenas de milhares de átomos com tecnologias atuais e se tornar uma caixa de ferramentas útil para correção de erros quânticos."

Destilação de Qubits Lógicos em Estado Mágico

Enquanto isso, no mês passado, os cientistas alcançou um avanço de 'estado mágico'³ para construir computadores quânticos livres de erros.

Os cientistas demonstraram um fenômeno chamado "destilação de estado mágico", que, embora proposto há duas décadas, não foi usado em qubits lógicos até agora. Esta apesar de ser considerado crítico para a produção de "estados mágicos", que estão localizadas necessário para atingir todo o potencial dos computadores quânticos.

Tais estados são preparados antecipadamente para consumo 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 estados mágicos. Embora possível em qubits físicos simples e propensos a erros, esse processo não é possível em qubits lógicos que estão configurados para detectar e corrigir os erros.

Agora, pela primeira vez, cientistas demonstraram a destilação de estados mágicos na prática em qubits lógicos.

Utilizando o computador quântico Gemini de átomo neutro, os cientistas destilaram cinco estados mágicos imperfeitos em um estado mágico mais limpo. Ao realizar isso separadamente em um qubit lógico de Distância-3 e Distância-5, os cientistas demonstraram que o processo de destilação é escalável com a qualidade do qubit lógico.

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

Desbloqueando a memória quântica com ondas sonoras

Agora, na semana passada, os 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 informações elétricas em som. Esta permite que os estados quânticos vivam até trinta vezes mais do que nos sistemas supercondutores padrão, onde ressonadores cuidadosamente projetados permitem que os elétrons formem qubits supercondutores que se destacam na realização de operações rápidas e complexas, mas não são adequados para armazenamento de longo prazo. 

Armazenar informações em estados quânticos continua sendo um desafio. Para lidar com isso, os pesquisadores estão criando “memórias quânticas” para armazenar informações quânticas por um período que ultrapassa o dos qubits supercondutores amplamente utilizados. E o novo método híbrido da equipe do Caltech ampliou a memória quântica. 

“Depois de atingir um estado quântico, você pode não querer fazer nada com ele imediatamente. Você precisa ter uma maneira de retornar a ele quando quiser realizar uma operação lógica. Para isso, você precisa de uma memória quântica.”

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

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

Este oscilador é feito de de placas flexíveis que vibram em resposta a ondas sonoras de frequências de GHz. Após a aplicação de uma carga elétrica, essas placas se conectam com sinais elétricos que transportam informações quânticas, permitindo que as informações ser canalizado no dispositivo para armazenamento como uma “memória” e depois canalizada para fora, ou “lembrada”.

Após a medição, os pesquisadores descobriram que o oscilador tinha uma vida útil, ou seja, o tempo que leva para perder o conteúdo quântico uma vez que a informação é introduzido no dispositivo, que era cerca de 30 vezes maior do que o dos melhores qubits supercondutores.

No meio de todo esse progresso, dois novos estudos apoiados pela National Science Foundation conseguiram principal avanços que nos levam mais perto do uso prático dos computadores quânticos.

Novos materiais quânticos para qubits estáveis

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, A Universidade de Helsinque e a Universidade Aalto revelaram um material quântico que pode mudar a computação quântica para sempre, tornando os computadores quânticos mais estáveis. Isso é feito usando magnetismo para proteger os frágeis qubits do ruído. 

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

O novo tipo de material quântico, juntamente com um método para alcançar estabilidade, pode tornar os computadores quânticos mais resilientes, abrindo caminho para seu uso prático no tratamento de cálculos quânticos.

Ultimamente, 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 A estrutura inerente do próprio material usado para criar qubits é chamada de excitações topológicas. E estas são robustas e estáveis. O desafio, no entanto, permanece em encontrar materiais que suportem naturalmente estados quânticos robustos.

O estudo mais recente desenvolveu com sucesso um desses novo material quântico para qubits que exibe excitações topológicas robustas⁵.

Esta marca um movimento promissor em direção à computação quântica topológica prática ao ter estabilidade incorporada diretamente no design do material.

De acordo com o principal autor 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 consegue 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" referem-se a diversas novas classes de sólidos com grande resiliência e propriedades quânticas extremas, e a busca por tais materiais tem sido um desafio há muito tempo.

Agora, quando se trata do novo método da equipe, o magnetismo é a chave. O que os pesquisadores tradicionalmente fazem é seguir uma "receita" há muito estabelecida com base no acoplamento spin-órbita (SOC). Esta 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 bastante incomum e pode ser usado apenas em um número limitado de materiais. Por isso, a equipe apresentou um novo método para obter o mesmo efeito. O método inovador utiliza 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. Podemos compará-lo a assar com ingredientes do dia a dia, em vez de usar especiarias raras”, observou Chen. “Isso significa que agora podemos pesquisar propriedades topológicas em um espectro muito mais amplo de materiais, incluindo aqueles que já foram sido esquecido. "

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

A ferramenta os ajudou a encontrar novos materiais com as propriedades topológicas desejadas mais rapidamente. Ela pode calcular diretamente a força do comportamento topológico de um material.

"Nossa esperança é "Essa abordagem pode ajudar a guiar a descoberta de muitos outros materiais exóticos", disse Chen. "Em última análise, isso pode levar à próxima geração de plataformas de computadores quânticos, construídas com materiais naturalmente resistentes ao tipo de perturbações que afetam os sistemas atuais."

Aproveitando o poder inexplorado dos fônons

Outro avanço aconteceu foi alcançado por pesquisadores da Rice University, que podem abrir caminho para tecnologias de última geração em sensoriamento e computação. Este tem 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 naquele sistema. 

Quando dois fônons de diferentes distribuições de frequência entrar em interferência entre si, esse fenômeno é conhecido como Ressonância de FanoO estudo relatou uma ressonância de Fano duas ordens de magnitude maior do que nunca.

“Embora este fenômeno seja bem estudado para partículas como elétrons e fótons, a interferência entre fônons tem sido muito menos explorado", disse o primeiro autor do estudo, Kunyan Zhang, ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice. "Essa é uma oportunidade perdida, já que os fônons podem manter seu comportamento de onda por muito tempo, o que os torna promissores para dispositivos estáveis ​​e de alto desempenho."

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

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

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

– Zhang

Para o seu trabalho, a equipe explorou apenas por como os fônons interferem uns nos outros. Para isso, eles analisaram a forma do sinal em espectroscopia Raman, uma técnica usada para medir os modos vibracionais de um material. O que os pesquisadores encontraram foi uma forma de linha acentuadamente assimétrica, que exibia uma queda completa em alguns casos, formando um padrão de antirressonância característico de interferência intensa.

Este efeito mostrou alta sensibilidade às especificidades da superfície do carboneto de silício (SiC).

Ao comparar três terminações de superfície de SiC exclusivas, os pesquisadores encontraram uma forte conexão entre cada uma delas e o formato único da linha Raman. Além disso, o formato da linha espectral mudou acentuadamente quando uma única molécula de corante foi adicionada. foi introduzido à 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 rótulos, com uma configuração simples e escalável. Nossos resultados abrem um novo caminho para o uso de fônons em sensoriamento quântico e detecção molecular de próxima geração.”

Ao analisar a dinâmica do efeito em baixas temperaturas, foi confirmado que a interferência vem puramente de interações de fônons e não de elétrons, tornando-se um caso raro de interferência quântica somente de fônons. 

A equipe observou esse efeito apenas no sistema de carboneto de silício 2D que eles usaram devido às configurações de superfície e caminhos de transição especiais permitidos pela camada fina.

“Comparado aos sensores convencionais, nosso método oferece alta sensibilidade sem a necessidade de rótulos químicos especiais ou configuração complicada do dispositivo”, disse o coautor Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice. “Essa abordagem baseada em fônons não só avança a detecção molecular, mas também abre possibilidades interessantes em energia coleta, gerenciamento térmico e tecnologias quânticas, onde o controle das vibrações é fundamental.”

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Investindo em Computação Quântica

Vários gigantes da tecnologia e investidores estão apostando alto em avanços quânticos. Isso inclui empresas como IBM (IBM ), Google, Amazonas, Microsoft (MSFT ), e muitos outros. Todos estão escalando suas iniciativas quânticas, enquanto o capital de risco continua a fluir 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 vem impulsionando investimentos em tecnologias quânticas e de fusão, apresentando-as como tecnologias complementares para alimentar data centers baseados em IA no futuro. Em linhas semelhantes, o laboratório de IA quântica do Google e os roteiros quânticos plurianuais da IBM refletem seu objetivo de alcançar máquinas quânticas práticas dentro de uma 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/L de 38.1, com lucro por ação (TTM) de US$ 13.70 e um dividend yield de 0.59%. Para o ano fiscal de 2025, 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.

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Conclusão

Os computadores quânticos possuem a capacidade de realizar cálculos complexos em velocidades muito maiores superando os dos computadores clássicos, o que promete permitir avanços em vários campos, incluindo descoberta de medicamentos, ciência de materiais, IA e criptografia.

Mas é claro que os computadores quânticos estão longe de ser uma realidade ainda, enfrentando desafios como ruído, escalabilidade, estabilidade, armazenamento, memória e controle. O lado positivo é que os pesquisadores estão fazendo progresso constante em todas essas diferentes frentes e, juntos, eles estão nos levando mais perto de desbloquear computadores quânticos práticos!

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Referências:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Computação quântica universal usando ânions de Ising de uma teoria quântica de campos topológica não semissimples. Natureza das Comunicações, 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. Natureza. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, et al. Demonstração experimental de destilação lógica de estados mágicos. Natureza, publicado em 14 de julho de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., et al. Uma memória quântica mecânica para fótons de micro-ondas. Física da Natureza, publicado em 13 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL, & Chen, G. Modos topológicos zero 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. Os avanços da ciência, 11, eadw1800, publicado em 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800