Os engenheiros da Universidade de Princeton criaram um qubit supercondutor que permanece estável três vezes mais do que os projetos mais fortes de hoje. Esta melhoria representa um passo importante na construção de um computador quântico que possa operar de forma confiável.
“O verdadeiro desafio, o que nos impede de ter computadores quânticos úteis hoje, é que você constrói um qubit e a informação não dura muito”, disse Andrew Houck, diretor do Centro Nacional de Pesquisa Quântica, financiado pelo governo federal, reitor da Escola de Engenharia da Universidade de Princeton e co-investigador principal do artigo. “Este é o próximo grande salto.”
Em artigo publicado em 5 de novembro naturezaA equipe de Princeton relatou que seus qubits permaneceram coerentes por mais de 1 milissegundo. Esse desempenho é três vezes maior que o tempo de vida mais longo registrado em experimentos de laboratório e quase quinze vezes maior que o padrão usado em processadores quânticos industriais. Para confirmar os resultados, a equipe construiu um chip quântico funcional baseado nos novos qubits, demonstrando que o design poderia suportar correção de erros e escalar para sistemas maiores.
Os pesquisadores observam que seus qubits são compatíveis com arquiteturas utilizadas por grandes empresas como Google e IBM. De acordo com a análise deles, a substituição de componentes-chave do processador Willow do Google pela abordagem de Princeton poderia aumentar seu desempenho por um fator de 1.000. Hawke acrescentou que as vantagens deste design aumentam mais rapidamente à medida que os sistemas quânticos contêm mais qubits.
Por que qubits melhores são importantes para a computação quântica
Os computadores quânticos prometem resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem. No entanto, as suas capacidades atuais ainda são limitadas porque os qubits perdem informações antes de poderem concluir cálculos complexos. Portanto, estender o tempo de coerência é crucial para a construção de hardware quântico prático. A melhoria de Princeton representa o maior ganho individual no tempo de coerência em mais de uma década.
Muitos laboratórios estão buscando diferentes tecnologias de qubits, mas o projeto de Princeton baseia-se em um método amplamente utilizado chamado qubits de transporte. Como circuitos supercondutores que operam em temperaturas extremamente baixas, os Transmons são conhecidos por serem resistentes a perturbações ambientais e compatíveis com ferramentas de fabricação modernas.
Apesar dessas vantagens, aumentar o tempo de coerência entre os qubits tem se mostrado difícil. Os resultados recentes do Google mostram que os defeitos materiais são agora um grande obstáculo para melhorar os seus mais recentes processadores.
Tântalo e silício: novas estratégias de materiais
A equipa de Princeton desenvolveu uma estratégia em duas partes para enfrentar estes desafios materiais. Primeiro, eles adicionaram tântalo, um metal conhecido por ajudar circuitos delicados a reter energia. Em segundo lugar, substituíram o substrato padrão de safira por silício de alta pureza, um material fundamental na indústria da computação. O cultivo de tântalo diretamente no silício exigiu a resolução de vários problemas técnicos relacionados à forma como os dois materiais interagem, mas os pesquisadores tiveram sucesso e encontraram vantagens significativas no processo.
Nathalie de Leon, codiretora da Iniciativa Quantum da Universidade de Princeton e coinvestigadora principal do projeto, disse que o projeto de tântalo-silício não só tem um desempenho melhor do que os métodos anteriores, mas também é mais fácil de fabricar em escala. “Nossos resultados realmente promovem a tecnologia de ponta”, disse ela.
Michel Devoret, cientista-chefe do hardware de IA quântica do Google, que forneceu parte do financiamento, descreveu a dificuldade de prolongar a vida útil dos circuitos quânticos. Ele observou que o desafio se tornou um “cemitério” para tentar soluções. “Natalie realmente teve a coragem de seguir esta estratégia e fazê-la funcionar”, disse Devoret, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2025.
O projeto recebeu grande financiamento 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), que Houck liderará de 2021 a 2025, onde atualmente atua como cientista-chefe. O artigo lista o pesquisador de pós-doutorado 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 de Engenharia Elétrica e de Computação Anthony HP Lee ’79 P11 P14, explica que as capacidades de um computador quântico dependem de dois fatores principais. Um é o número total de qubits que podem ser conectados entre si. Outra é quantas operações cada qubit pode concluir antes que os erros se acumulem. Melhorar a durabilidade de qubits individuais pode melhorar ambos os fatores. Tempos de coerência mais longos suportam diretamente o dimensionamento e uma correção de erros mais confiável.
A perda de energia é a causa mais comum de falha nesses sistemas. Defeitos superficiais microscópicos em metais podem reter energia e destruir qubits durante os cálculos. À medida que mais qubits são adicionados, essas interferências se multiplicam. O tântalo é particularmente benéfico porque geralmente contém menos desses defeitos do que metais como o alumínio. Com menos defeitos, o sistema cria menos erros e simplifica o processo de correção de erros remanescentes.
Houck e de Leon introduziram materiais de tântalo para chips supercondutores em 2021 com a ajuda do químico Robert Cava da Universidade de Princeton, professor de química Russell Wellman Moore. Cava, especialista em materiais supercondutores, interessou-se pelo problema após ouvir uma das palestras de De Leon. As conversas deles eventualmente o levaram a considerar o tântalo um material promissor. “Então ela fez isso”, disse Cava. “Essa é a parte incrível.”
Pesquisadores dos três laboratórios seguiram essa ideia e construíram circuitos supercondutores baseados em tântalo em substratos de safira. Os resultados mostram uma melhoria significativa no tempo de coerência, aproximando-se do recorde mundial anterior.
Bahrami observou que o tântalo se destaca por ser extremamente durável e resistir à limpeza rigorosa utilizada para remover contaminantes durante o processo de fabricação. “Você pode colocar tântalo em ácido e suas propriedades ainda não mudarão”, disse ela.
Após a remoção dos contaminantes, a equipe avaliou as perdas de energia restantes. Eles descobriram que o substrato de safira era responsável pela maioria dos problemas remanescentes. A mudança para o silício de alta pureza eliminou essa fonte de perda, e a combinação de tântalo e silício, juntamente com técnicas de fabricação refinadas, resultou em uma das maiores melhorias já feitas nos qubits transMongólia. Hawke descreveu os resultados como “um grande avanço no caminho para a computação quântica útil”.
Houck acrescentou que, como as vantagens do design crescem exponencialmente à medida que o sistema evolui, a substituição dos atuais qubits líderes da indústria pela versão Princeton poderia permitir que um computador teórico de 1.000 qubit funcionasse cerca de um bilhão de vezes mais eficientemente.
Projetos baseados em silício apoiam o crescimento em escala industrial
O projeto baseia-se no conhecimento de três áreas de especialização. A equipe de Houck se concentra no projeto e otimização de circuitos supercondutores. O laboratório de De Leon é especializado em metrologia quântica e nos materiais e métodos de fabricação que determinam o desempenho do qubit. A equipe de Kawa passou décadas desenvolvendo materiais supercondutores. Ao combinar seus pontos fortes, a equipe alcançou resultados que nenhuma equipe conseguiria sozinha. Seu sucesso atraiu a atenção da indústria quântica.
Devoret disse que a colaboração entre universidades e empresas é crucial para avançar no desenvolvimento de tecnologias avançadas. “A relação entre a indústria e a pesquisa acadêmica é bastante harmoniosa”, disse ele. Os investigadores universitários podem estudar os limites fundamentais do desempenho quântico, enquanto os parceiros da indústria aplicam estas descobertas a grandes sistemas.
“Mostramos que isso é possível no silício”, disse De Leon. “O fato de termos mostrado quais são as principais etapas e os recursos fundamentais importantes para atingir esse tempo de consistência agora facilita a adoção por qualquer pessoa que trabalhe no escalonamento de processadores”.
O artigo “Vidas em milissegundos e tempos de coerência em qubits transmon 2D” foi publicado na revista Nature em 5 de novembro. Os autores que se juntaram a de Leon, Houck, Cava, Bahrami e Bland incluem Jeronimo GC Martinez, Paal H. Prestegaard, Basil M. Smitham, Atharv Joshi, Elizabeth Hedrick, Alex Pakpour-Tabrizi, Shashwat Kumar, Apoorv Jindal, Ray D. Chang, Ambrose Yang, Cheng Guangming e Yao Nan. Esta pesquisa recebeu grande apoio do Departamento de Energia dos EUA, Office of Science, do Centro Nacional de Ciência da Informação Quântica, do Centro de Design Colaborativo para Vantagem Quântica (C2QA) e apoio parcial da Inteligência Artificial Quantum do Google.
