O Desafio dos Qubits

“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”, disse Andrew Houck, líder de um centro de pesquisa quântica nacional financiado federalmente, decano de engenharia de Princeton e co-investigador principal do artigo. “Este é o próximo grande salto à frente.”

Em um artigo publicado em 5 de novembro na Nature, a equipe de Princeton relatou que seu qubit mantém coerência por mais de 1 milissegundo. Esse desempenho é três vezes maior do que a mais longa vida útil documentada em experimentos de laboratório e quase quinze vezes maior do que o padrão usado em processadores quânticos industriais. Para confirmar o resultado, a equipe construiu um chip quântico funcional baseado no novo qubit, demonstrando que o design pode suportar correção de erros e escalar para sistemas maiores.

Os pesquisadores observaram que seu qubit é compatível com as arquiteturas utilizadas por grandes empresas como Google e IBM. De acordo com sua análise, substituir componentes-chave no processador Willow do Google pela abordagem de Princeton poderia aumentar seu desempenho em um fator de 1.000. Houck acrescentou que, à medida que sistemas quânticos incorporam mais qubits, as vantagens desse design aumentam ainda mais rapidamente.

Por Que Qubits Melhores Importam para a Computação Quântica

Os computadores quânticos mostram potencial para resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem abordar. No entanto, suas habilidades atuais permanecem limitadas porque os qubits perdem suas informações antes que cálculos complexos possam ser concluídos. Assim, estender o tempo de coerência é essencial para construir hardware quântico prático. A melhoria de Princeton representa o maior ganho único em tempo de coerência em mais de dez anos.

Muitos laboratórios estão buscando diferentes tecnologias de qubit, mas o design de Princeton se baseia em uma abordagem amplamente utilizada conhecida como qubit transmon. Os transmons, que operam como circuitos supercondutores mantidos a temperaturas extremamente baixas, são conhecidos por serem resistentes à interferência ambiental e compatíveis com ferramentas de fabricação modernas.

Apesar dessas forças, aumentar o tempo de coerência dos qubits transmon tem sido difícil. Resultados recentes do Google mostraram que os defeitos de material agora representam a principal barreira para melhorar seu mais novo processador.

Tântalo e Silício: Uma Nova Estratégia de Materiais

A equipe de Princeton desenvolveu uma estratégia em duas partes para lidar com esses desafios materiais. Primeiro, incorporaram tântalo, um metal conhecido por ajudar circuitos delicados a reter energia. Em segundo lugar, substituíram o substrato de safira padrão por silício de alta pureza, um material fundamental para a indústria de computação. Crescer o tântalo diretamente sobre o silício exigiu a resolução de vários problemas técnicos relacionados à interação entre os dois materiais, mas os pesquisadores conseguiram e descobriram vantagens significativas no processo.

Nathalie de Leon, co-diretora da Iniciativa Quântica de Princeton e co-investigadora principal do projeto, disse que o design de tântalo-silício não apenas apresenta melhor desempenho do que abordagens anteriores, mas também é mais simples de fabricar em escala. “Nossos resultados realmente estão avançando o estado da arte”, afirmou.

Michel Devoret, cientista-chefe de hardware da Google Quantum AI, que forneceu financiamento parcial, descreveu a dificuldade de estender a vida útil dos circuitos quânticos. Ele observou que o desafio se tornou um “cemitério” de soluções tentadas. “Nathalie realmente teve a coragem de perseguir essa estratégia e fazer funcionar”, disse Devoret, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2025.

O projeto recebeu financiamento principal do Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA e do Centro de Co-design para Vantagem Quântica (C2QA), um centro dirigido por Houck de 2021 a 2025 e onde agora atua como cientista-chefe. O artigo lista a pesquisadora de pós-doutorado Faranak Bahrami e o estudante de pós-graduação Matthew P. Bland como coautores principais.

Como o Tântalo Melhora a Estabilidade do Qubit

Houck, professor de Engenharia Elétrica e de Computação, explicou que a capacidade de um computador quântico depende de dois fatores principais. Um é o número total de qubits que podem ser conectados em conjunto. O outro é quantas operações cada qubit pode completar antes que erros se acumulem. Melhorar a durabilidade de um único qubit fortalece ambos os fatores. Um tempo de coerência mais longo suporta diretamente a escalabilidade e uma correção de erros mais confiável.

A perda de energia é a causa mais comum de falha nesses sistemas. Defeitos microscópicos na superfície do metal podem aprisionar energia e interromper o qubit durante os cálculos. Essas interrupções se multiplicam à medida que mais qubits são adicionados. O tântalo é especialmente benéfico porque normalmente contém menos desses defeitos do que metais como alumínio. Com menos defeitos, o sistema produz menos erros e simplifica o processo de correção dos que permanecem.

Houck e de Leon introduziram tântalo para chips supercondutores em 2021 com a ajuda do químico de Princeton Robert Cava, professor de Química. Cava, que se especializa em materiais supercondutores, se interessou pelo problema após ouvir uma das palestras de de Leon. Suas conversas eventualmente o levaram a sugerir o tântalo como um material promissor. “Então ela foi e fez isso”, disse Cava. “Essa é a parte incrível.”

Pesquisadores de todos os três laboratórios seguiram essa ideia e construíram um circuito supercondutor à base de tântalo em um substrato de safira. O resultado mostrou uma melhoria significativa no tempo de coerência, aproximando-se do recorde mundial anterior.

Bahrami observou que o tântalo se destaca porque é extremamente durável e pode suportar a limpeza rigorosa usada para remover contaminações durante a fabricação. “Você pode colocar tântalo em ácidos e mesmo assim as propriedades não mudam”, disse ela.

Uma vez que os contaminantes foram removidos, a equipe avaliou as perdas de energia restantes. Descobriram que o substrato de safira era responsável pela maior parte dos problemas restantes. A substituição por silício de alta pureza eliminou essa fonte de perda, e a combinação de tântalo e silício, juntamente com técnicas de fabricação refinadas, produziu uma das maiores melhorias já alcançadas em um qubit transmon. Houck descreveu o resultado como “um grande avanço no caminho para viabilizar a computação quântica útil.”

Houck acrescentou que, como os benefícios do design aumentam exponencialmente à medida que os sistemas crescem, substituir os qubits líderes do setor de hoje pela versão de Princeton poderia permitir que um computador teórico de 1.000 qubits operasse cerca de 1 bilhão de vezes mais efetivamente.

Design Baseado em Silício Suporta Crescimento em Escala Industrial

O projeto se baseia em três áreas de especialização. O grupo de Houck foca no design e na otimização de circuitos supercondutores. O laboratório de De Leon se especializa em metrologia quântica, além dos materiais e métodos de fabricação que determinam o desempenho do qubit. O grupo de Cava passou décadas desenvolvendo materiais supercondutores. Combinando suas forças, a equipe produziu resultados que nenhum dos grupos conseguiria alcançar individualmente. Seu sucesso já atraiu a atenção da indústria quântica.

Devoret disse que colaborações entre universidades e empresas são essenciais para avançar tecnologias de ponta. “Há uma relação bastante harmoniosa entre a indústria e a pesquisa acadêmica”, afirmou. Pesquisadores universitários podem investigar os limites fundamentais do desempenho quântico, enquanto parceiros da indústria aplicam esses resultados a sistemas em larga escala.

“Mostramos que é possível usar silício”, disse de Leon. “O fato de termos demonstrado quais são os passos críticos e as características subjacentes importantes que permitirão esses tempos de coerência facilita para qualquer um que trabalhe em processadores escaláveis adotar.”

O artigo “Lifetimes e tempos de coerência em qubits transmon 2D” foi publicado na Nature em 5 de novembro. Além de de Leon, Houck, Cava, Bahrami e Bland, os autores incluem Jeronimo G.C. Martinez, Paal H. Prestegaard, Basil M. Smitham, Atharv Joshi, Elizabeth Hedrick, Alex Pakpour-Tabrizi, Shashwat Kumar, Apoorv Jindal, Ray D. Chang, Ambrose Yang, Guangming Cheng e Nan Yao. Essa pesquisa recebeu apoio principal do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, Centro de Co-design para Vantagem Quântica (C2QA) e apoio parcial da Google Quantum AI.