Engenheiros de Princeton criaram um qubit supercondutor que permanece estável por três vezes mais tempo do que os designs mais robustos disponíveis atualmente. Essa melhoria representa um avanço significativo na construção de computadores quânticos que podem operar de forma confiável.
“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 federalmente financiado, reitor de engenharia de Princeton e co-investigador principal do artigo. “Esse é o próximo grande salto em 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 a maior vida útil documentada em experimentos de laboratório e quase quinze vezes maior do que o padrão utilizado 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 usadas 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 os 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 prometem resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem abordar. No entanto, suas habilidades atuais permanecem limitadas porque os qubits perdem sua informação antes que cálculos complexos possam ser concluídos. Estender o tempo de coerência é, portanto, 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 explorando diferentes tecnologias de qubit, mas o design de Princeton baseia-se em uma abordagem amplamente utilizada conhecida como o qubit transmon. Os transmons, que operam como circuitos supercondutores mantidos a temperaturas extremas, 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 se mostrado difícil. Resultados recentes do Google mostraram que defeitos materiais agora representam a principal barreira para aprimorar seu processador mais novo.
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 tântalo diretamente sobre silício exigiu resolver vários problemas técnicos relacionados à interação entre os dois materiais, mas os pesquisadores tiveram sucesso e descobriram vantagens significativas nesse processo.
Nathalie de Leon, co-diretora da Iniciativa Quântica de Princeton e co-investigadora principal do projeto, disse que o design tântalo-silício não apenas apresenta desempenho superior em relação às abordagens anteriores, mas também é mais simples de fabricar em escala. “Nossos resultados estão realmente avançando o estado da arte”, afirmou.
Michel Devoret, cientista chefe de hardware na Google Quantum AI, que forneceu financiamento parcial, descreveu a dificuldade em 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 seguir essa estratégia e fazer funcionar”, disse Devoret, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2025.
O projeto recebeu financiamento principal do Departamento de Energia dos EUA, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica e do Centro de Co-design para a Vantagem Quântica (C2QA), um centro dirigido por Houck de 2021 a 2025, onde ele agora atua como cientista chefe. O artigo lista a pesquisadora pós-doutoral Faranak Bahrami e o estudante de pós-graduação Matthew P. Bland como co-autores principais.
Como o Tântalo Melhora a Estabilidade do Qubit
Houck, professor Anthony H.P. Lee ’79 P11 P14 de Engenharia Elétrica e Computacional, explicou que a capacidade de um computador quântico depende de dois fatores principais. Um é o número total de qubits que podem ser ligados. O outro é quantas operações cada qubit pode completar antes que os erros se acumulem. Melhorar a durabilidade de um único qubit fortalece ambos os fatores. Um tempo de coerência mais longo apoia diretamente a escalabilidade e a 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 geralmente contém menos desses defeitos do que metais como o alumínio. Com menos defeitos, o sistema produz menos erros e simplifica o processo de correção dos que permanecem.
Houck e de Leon introduziram o tântalo para chips supercondutores em 2021 com ajuda do químico de Princeton Robert Cava, professor Russell Wellman Moore de Química. Cava, que se especializa em materiais supercondutores, ficou interessado no 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 sobre 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 ácido, e ainda 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. Mudar para 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 possibilitar a computação quântica útil.”
Houck acrescentou que, como os benefícios do design aumentam exponencialmente à medida que os sistemas crescem, substituir os qubits líderes da indústria de hoje pelo modelo de Princeton poderia permitir que um computador teórico de 1.000 qubits operasse cerca de 1 bilhão de vezes com mais eficácia.
Design Baseado em Silício Suporta Crescimento em Escala Industrial
O projeto se baseia em três áreas de especialização. O grupo de Houck se concentra no design e otimização de circuitos supercondutores. O laboratório de De Leon se especializa em metrologia quântica, além dos métodos e materiais de fabricação que determinam o desempenho do qubit. O grupo de Cava passou décadas desenvolvendo materiais supercondutores. Ao combinar suas forças, a equipe produziu resultados que nenhum dos grupos poderia ter alcançado individualmente. O sucesso já atraiu a atenção da indústria quântica.
Devoret disse que as colaborações entre universidades e empresas são essenciais para o avanço de tecnologias avançadas. “Há uma relação bastante harmoniosa entre a indústria e a pesquisa acadêmica”, disse ele. Os pesquisadores universitários podem investigar os limites fundamentais do desempenho quântico, enquanto os parceiros da indústria aplicam esses achados a sistemas em larga escala.
“Nós mostramos que é possível no silício”, disse de Leon. “O fato de termos mostrado quais são os passos críticos e as características subjacentes importantes que permitirão esses tempos de coerência agora torna bastante fácil para qualquer um que esteja trabalhando em processadores escalonados adotar.”
O artigo “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits” foi publicado na Nature em 5 de novembro. Junto com 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. Esta 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.