Qubits de Milissegundo Marcam um Avanço na Tecnologia Quântica

Avanço em Qubits Supercondutores de Escala Milissegundo

Quantum computers could revolutionize how we perform cryptography, calculate complex simulations like proteins’ 3D configuration, and probably have many more applications we are barely guessing today.

Para funcionar, eles precisam de “qubits” o mais estáveis possível, o elemento fundamental da computação quântica. Até agora, apenas computadores quânticos de “íons aprisionados” conseguiram gerar qubits altamente estáveis. Mas essa tecnologia é inerentemente mais difícil de escalar do que os qubits supercondutores.

Portanto, embora os qubits supercondutores possam ser o futuro dessa tecnologia, é necessário melhorar a estabilidade do tempo de coerência desses qubits.

Foi exatamente isso que uma grande equipe de pesquisadores da Universidade de Princeton acabou de alcançar. Eles criaram um tipo de qubit supercondutor que pode manter a coerência por mais de um milissegundo, 3 vezes mais que o melhor registro anterior.

Eles publicaram suas descobertas na Nature¹, sob o título “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

O Limite de Coerência dos Qubits

Para realizar computação quântica, um computador quântico precisa manter a “coerência”, um estado quântico especial que é extremamente vulnerável a interferências do ambiente. Em geral, ruído térmico e movimento de partículas tendem a destruir a coerência em nanosegundos.

Em condições especiais, como condições ultrafrias, a vida útil de um qubit pode durar mais. Mas ainda assim, coerência suficiente é uma grande limitação para a maioria dos computadores quânticos hoje, levando a erros de cálculo que não apenas diminuem a capacidade total de computação, mas também não podem ser facilmente compensados com atualizações de software.

Então determinar qual material é capaz de manter a coerência por mais tempo é um passo crucial que precisa ser dado antes de alcançar a fase comercial para a indústria de computação quântica.

“O verdadeiro desafio, a coisa que nos impede de ter computadores quânticos úteis hoje, é que você constrói um qubit e a informação simplesmente não dura muito tempo.

Este é o próximo grande salto adiante.”

Andrew Houck, reitor de engenharia de Princeton

Como os Pesquisadores Estenderam a Coerência dos Qubits Transmon

Os pesquisadores usaram o mesmo tipo de qubits supercondutores usados por empresas como Google ou IBM em seus próprios computadores quânticos, transmon qubits.

Qubits transmon têm a vantagem de alta fidelidade (fidelidades de portas de um único qubit superiores a 99,9%), possibilidade de produção em escala e tempos de coerência elevados de 0,1 milissegundo.

Isso é promissor, mas o tempo de coerência ainda é muito baixo.

Portanto, quando os pesquisadores de Princeton anunciaram que conseguiram criar um qubit com duração média de 1,68 ms, isso representa uma melhoria massiva.

Fonte: Nature

Esta é uma duração de qubit 3 vezes maior que a melhor já criada em laboratório, e 15 vezes mais forte que a usada por empresas privadas que desenvolvem computadores quânticos.

Por que Tântalo e Silício Melhoram a Coerência Quântica

Tântalo Aumentando a Coerência

Para alcançar esse resultado, os pesquisadores usaram duas melhorias diferentes no material utilizado.

Primeiro, usaram um metal chamado tântalo como camada base para ajudar os circuitos frágeis a preservar energia. Isso ocorre porque pequenos defeitos de superfície ocultos no metal podem prender e absorver energia à medida que ela se move.

É especialmente problemático à medida que mais qubits são adicionados a um chip, esse tipo de erro se multiplica a ponto de tornar o chip inútil após certo número de qubits.

Microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) foi usada para confirmar a estrutura altamente regular dos cristais cúbicos de tântalo.

Fonte: Nature

Comparado a metais como alumínio, o tântalo tem muito menos defeitos e é altamente resistente a processos de limpeza agressivos usados para remover impurezas.

“Você pode colocar tântalo em ácido, e ainda assim as propriedades não mudam.”

Faranak Bahrami – Pesquisa na Universidade de Princeton

Crescer tântalo diretamente sobre silício foi um desafio que exigiu um esforço extensivo para ser superado.
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Silício Substituindo a Safira

Outra fonte de perda de energia que leva à perda de coerência é o substrato de safira usado em chips quânticos.

Em vez disso, os pesquisadores usaram silício de alta qualidade (alta resistividade), um material padrão comum da indústria de computação tradicional.

Juntos, essas melhorias nos materiais usados nesta plataforma de tântalo sobre silício fizeram com que as portas de um único qubit alcançassem 99,994% de fidelidade.

Do Avanço de Laboratório a Chips Quânticos Escaláveis

Os pesquisadores usaram seu método para construir um chip quântico totalmente funcional que supera todos os designs anteriores.

Como a taxa de erro é multiplicativa, esse tipo de melhoria escala exponencialmente com o tamanho do sistema. Como resultado, a melhoria de 10‑15× na taxa de erro para qubits individuais tem um efeito muito maior em um computador de múltiplos qubits.

Importante notar que tal qubit não é um conceito exótico novo, mas simplesmente um qubit supercondutor “tradicional” usando um material diferente, de modo que pode ser facilmente integrado aos computadores quânticos existentes e usado pelo software de computação quântica já disponível.

“Trocar os componentes de Princeton pelos do melhor processador quântico da Google, chamado Willow, permitiria que ele funcionasse 1.000 vezes melhor.

Os benefícios do qubit de Princeton crescem exponencialmente à medida que o tamanho do sistema aumenta, portanto, adicionar mais qubits traria ainda mais benefícios.”

Andrew Houck, reitor de engenharia de Princeton

Isso significa que o design de Princeton poderia permitir que um hipotético computador de 1.000 qubits funcionasse aproximadamente 1 bilhão de vezes melhor.

Melhor ainda, o uso de tântalo e silício faz com que o método de fabricação se encaixe nos processos já utilizados pela indústria de semicondutores, tornando a produção em massa um marco muito mais fácil de alcançar do que uma tecnologia totalmente nova.

Esta pesquisa parece indicar que chips quânticos de silício, que discutimos anteriormente, são provavelmente a direção certa para a indústria de computação quântica.

Juntos com fontes de luz quântica melhores, chips híbridos quântico-fotônicos, e a possibilidade de transportar informação quântica junto ao fluxo normal de dados de telecomunicações, esses passos rumo a computadores quânticos muito maiores mostram que a tecnologia está rapidamente alcançando a maturidade comercial.

Investindo em Inovação de Computação Quântica

1. Alphabet Inc.

Google está muito ativo em computação quântica, principalmente através do laboratório Google Quantum AI e campus Quantum AI em Santa Barbara.

O computador quântico da Google fez história em 2019 ao afirmar ter alcançado “supremacia quântica” com sua máquina Sycamore. A máquina realizou um cálculo em 200 segundos que levaria 10.000 anos em um supercomputador convencional.

Isso agora é ofuscado pelo desempenho de seu chip mais recente, chamado Willow. Este é o primeiro chip de computação quântica que tem uma taxa de erro baixa o suficiente para que, quanto mais qubits você adiciona, menos erro você obtém. Isso o torna o primeiro design de chip quântico escalável.

Mas talvez a maior contribuição da Google seja no software, uma atividade onde ela tem um histórico impressionante, na verdade melhor que no hardware (Search, G Suite, Android, etc.).

Já, o Quantum AI da Google disponibiliza um conjunto de softwares projetados para ajudar cientistas a desenvolver algoritmos quânticos.

Ela também defende abertamente “pesquisadores, engenheiros e desenvolvedores para se juntarem a nós nesta jornada verificando nosso software de código aberto e recursos educacionais, incluindo nosso novo curso no Coursera, onde desenvolvedores podem aprender o essencial da correção de erros quânticos e nos ajudar a criar algoritmos que resolvam os problemas do futuro.”

Graças a essa abordagem aberta, a Google agora lidera tanto em hardware quanto em suas soluções de nuvem. A Google pode ser uma das empresas que definem os padrões de software de computação quântica e programação quântica, dando-lhe uma posição privilegiada para direcionar a evolução futura do campo.

Enquanto isso, soluções de IA, incluindo o carro autônomo da Waymo, podem se tornar o novo motor de receita para a Alphabet (GOOG ), que ainda detém uma posição massivamente dominante nas indústrias de busca e anúncios.

Você pode saber mais sobre as atividades da Google não relacionadas à computação quântica, especialmente anúncios e IA, em nosso relatório dedicado de dezembro de 2024.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Alphabet (GOOGL)

Estudo Referenciado:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}