Os engenheiros de Princeton desenvolveram um qubit supercondutor que permanece estável três vezes mais do que os projetos mais fortes disponíveis atualmente. Esta melhoria representa um passo importante na construção de computadores quânticos que possam operar de forma confiável.
“O verdadeiro desafio, o que nos impede de ter computadores quânticos úteis hoje, é que você cria um qubit e a informação não dura muito”, disse Andrew Huck, líder do National Quantum Research Center, financiado pelo governo federal, reitor de engenharia em Princeton e co-investigador principal do artigo. “Este é o próximo grande salto em frente.”
Em artigo publicado em 5 de novembro a naturezaA equipe de Princeton relatou que seu qubit mantém a coerência por mais de 1 milissegundo. Esse desempenho é três vezes maior que o tempo de vida mais longo registrado em testes de laboratório e cerca de quinze vezes o padrão usado em processadores quânticos industriais. Para confirmar os resultados, a equipe construiu um chip quântico funcional baseado no novo qubit, demonstrando que o design pode suportar correção de erros e escalonamento para sistemas maiores.
Os pesquisadores observaram que seu qubit é compatível com arquiteturas usadas 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. Houck acrescentou que à medida que os sistemas quânticos incorporam mais qubits, as vantagens deste design aumentam mais rapidamente.
Por que os qubits são importantes para a computação quântica
Os computadores quânticos são promissores para resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem resolver. No entanto, a sua capacidade atual é limitada porque os qubits perdem as suas informações antes de completarem cálculos complexos. Aumentar o tempo de coerência é, portanto, essencial para a construção de hardware quântico prático. A melhoria de Princeton representa o maior ganho individual num período consistente em mais de dez anos.
Muitos laboratórios estão buscando diferentes tecnologias de qubits, mas o projeto de Princeton é baseado em uma abordagem amplamente utilizada conhecida como qubits transmon. Os Transmons, que operam como circuitos supercondutores em temperaturas extremamente baixas, são conhecidos por serem resistentes a interferências ambientais e compatíveis com equipamentos de fabricação modernos.
Apesar desse poder, aumentar o tempo coerente dos qubits transmon tem se mostrado difícil. As recentes descobertas do Google mostraram que os defeitos materiais são agora o principal obstáculo para melhorar seus novos processadores
Tântalo e Silício: Uma Nova Estratégia de Materiais
A equipa de Princeton desenvolveu uma estratégia em duas partes para enfrentar este desafio material. Primeiro, eles adicionaram tântalo, um metal que ajuda circuitos delicados a reter energia. Em segundo lugar, substituíram o substrato padrão de safira por silício de alta pureza, a base da 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 descobriram vantagens significativas no processo.
Natalie de Leon, codiretora da Quantum Initiative de Princeton e co-investigadora principal do projeto, disse que o projeto de tântalo-silício não só tem um desempenho melhor do que as abordagens anteriores, mas também é mais fácil de construir em escala. “Nossos resultados estão realmente impulsionando o estado da arte”, disse ele.
Michel Devoret, cientista-chefe de hardware do Google Quantum AI, que forneceu financiamento parcial, descreveu a dificuldade de prolongar a vida útil dos circuitos quânticos. Ele observou que o desafio se tornou um “cemitério” de esforços para resolvê-lo. “Nathalie teve a coragem de realmente seguir esta estratégia e fazê-la funcionar”, disse Devoret, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2025.
O projeto recebeu financiamento inicial 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 liderado por Houck de 2021 a 2025 e onde ele agora atua como cientista principal. O artigo foi escrito pelo pesquisador de pós-doutorado Faranak Bahrami e pelo estudante de pós-graduação Matthew P. Lists Bland como co-autor principal.
Como o tântalo melhora a estabilidade do qubit
Houck, professor de Engenharia Elétrica e de Computação Anthony HP Lee ’79 P11 P14, explicou que o poder de um computador quântico depende de dois fatores principais. A é o número total de qubits que podem ser conectados entre si. A outra é quantas operações cada qubit pode concluir antes que os erros se acumulem. Melhorar a estabilidade de um único qubit reforça ambos os fatores. Tempos de coerência mais longos suportam escalonamento direto e correção de erros mais confiável.
A causa mais comum de falha neste sistema é a perda de energia. Defeitos superficiais microscópicos em metais podem reter energia e interromper qubits durante a computação. Esses distúrbios se multiplicam à medida que mais qubits são adicionados. O tântalo é particularmente benéfico porque geralmente apresenta menos desses defeitos do que metais como o alumínio. Com menos erros, o sistema gera menos erros e simplifica o processo de correção do restante.
Em 2021, Houck e de Leon introduziram o tântalo para chips supercondutores com a ajuda do químico de Princeton Robert Cava, professor de química Russell Wellman Moore. Cava, especialista em materiais supercondutores, interessou-se pelo problema após ouvir uma palestra de De Leon. A conversa acabou levando-o a sugerir o tântalo como um material promissor. “Então ele foi e fez isso”, disse Cava. “Essa é a parte incrível.”
Pesquisadores de três laboratórios seguiram essa ideia e construíram um circuito supercondutor baseado em tântalo em uma camada de safira. Os resultados mostram uma melhoria significativa no tempo, consistente com os recordes mundiais anteriores.
Bahrami observa que o tântalo se destaca por ser altamente durável e resistir à limpeza severa utilizada para remover a contaminação durante sua fabricação. “Você pode colocar tântalo em ácido e ainda assim as propriedades não mudam”, disse ele.
Uma vez removidos os contaminantes, a equipe avalia a perda de energia residual. Eles descobriram que o substrato de safira era responsável pela maioria dos problemas restantes. A mudança para o silício de alta pureza elimina essa fonte de perda, e uma das maiores melhorias alcançadas nos qubits transmon é a combinação de tântalo e silício com uma técnica de fabricação refinada. Houck descreveu o resultado como “um grande avanço para permitir a computação quântica prática”.
Houck acrescentou que as vantagens do design aumentam exponencialmente à medida que os sistemas crescem, substituindo os atuais qubits líderes da indústria por versões Princeton poderia permitir que um computador teórico de 1.000 qubits operasse cerca de 1 bilhão de vezes mais eficientemente.
Projetos baseados em silício apoiam o crescimento em escala industrial
O projeto vem de três áreas de atuação. O grupo 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. O grupo de Cava passou décadas desenvolvendo materiais supercondutores. Ao combinar os seus pontos fortes, a equipa produziu resultados que nenhum dos grupos poderia ter alcançado individualmente. Seu sucesso já atraiu a atenção da indústria quântica.
Devoret disse que a colaboração entre universidades e empresas é essencial para o avanço da tecnologia avançada. “Há uma relação bastante harmoniosa entre a indústria e a pesquisa acadêmica”, disse ele. Os investigadores universitários podem investigar os limites fundamentais do desempenho quântico, enquanto os parceiros industriais aplicam esses resultados a sistemas de grande escala.
“Mostramos que isso é possível no silício”, disse De Leon. “O fato de termos mostrado quais são as etapas críticas e as importantes propriedades subjacentes que permitirão esses tipos de tempos consistentes agora torna bastante fácil a adoção pelas pessoas que trabalham em processadores escalonados”.
“Vida útil em milissegundos e tempos de coerência em qubits transmon 2D” foi publicado em 5 de novembro na Nature. Junto com De Leon, Houck, Cava, Bahrami e Bland, os autores incluem Jeronimo GC Martinez, Paul H. Prestegaard, Basil M. Smitham, Atharv Joshi, Alexa, Alexa, Alexa, Alexa, Jeronimo GC Martinez. Shaswat Kumar, Apurva Jindal, Ray De Chang, Ambrose Yang, Guangming Cheng e Nan Yao. Esta pesquisa recebeu apoio parcial do Departamento de Energia dos EUA, do Office of Science, do National Quantum Information Science Research Center, do Co-Design Center for Quantum Advantage (C2QA) e do Google Quantum AI.
