O novo chip quântico de Princeton marca um grande passo em direção à vantagem quântica

“O verdadeiro desafio, o que nos impede de ter computadores quânticos úteis hoje, é que você constrói um qubit e a informação simplesmente não dura muito”, disse Andrew Houck, líder de um centro nacional de pesquisa quântica financiado pelo governo federal, reitor de engenharia de Princeton e co-investigador principal do artigo. “Este é o próximo grande salto em frente.”

Em um artigo de 5 de novembro publicado em Naturezaa equipe de Princeton relatou que seu qubit mantém a coerência por mais de 1 milissegundo. Esse desempenho é o triplo da vida útil mais longa documentada em experimentos de laboratório e quase quinze vezes maior 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 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 ainda mais rapidamente.

Por que melhores Qubits são importantes para a computação quântica

Os computadores quânticos são promissores para resolver problemas que os computadores tradicionais não conseguem resolver. No entanto, as suas capacidades atuais permanecem limitadas porque os qubits perdem a sua informação antes que cálculos complexos possam ser concluídos. Estender o tempo de coerência é, portanto, essencial para a construção de hardware quântico prático. A melhoria de Princeton representa o maior ganho individual no tempo de coerência em mais de dez anos.

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

Apesar desses pontos fortes, aumentar o tempo de coerência dos qubits transmon tem se mostrado difícil. Resultados recentes do Google mostraram que os defeitos materiais representam agora a principal barreira para melhorar o seu mais novo processador.

Tântalo e Silício: Uma Nova Estratégia de Materiais

A equipa de Princeton desenvolveu uma estratégia em duas partes para enfrentar estes desafios materiais. Primeiro, eles incorporaram o 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 para a 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.

Nathalie de Leon, codiretora da Iniciativa Quantum de Princeton e coinvestigadora principal do projeto, disse que o projeto de tântalo-silício não apenas tem um desempenho melhor do que as abordagens anteriores, mas também é mais simples de fabricar em escala. “Nossos resultados estão realmente impulsionando o estado da arte”, disse ela.

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 tentativas de soluções. “Nathalie realmente teve a coragem de seguir esta estratégia e fazê-la funcionar”, disse Devoret, vencedor do Prêmio Nobel de Física em 2025.

O projeto recebeu financiamento primário dos Centros Nacionais 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 ele agora 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, explicou que a capacidade de um computador quântico depende de dois fatores principais. Um é o número total de qubits que podem ser interligados. A outra é quantas operações cada qubit pode concluir antes que os erros se acumulem. Melhorar a durabilidade de um único qubit fortalece esses dois fatores. Um tempo de coerência mais longo suporta diretamente o dimensionamento 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 reter 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 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 a ajuda do químico de Princeton, Robert Cava, e do professor de química Russell Wellman Moore. Cava, especializado em materiais supercondutores, interessou-se pelo problema depois de 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 dos 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 severa usada para remover a contaminação durante a fabricação. “Você pode colocar tântalo em ácido e ainda assim as propriedades não mudam”, disse ela.

Depois que os contaminantes foram removidos, 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 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 permitir a computação quântica útil”.

Houck acrescentou que, como os benefícios do design aumentam exponencialmente à medida que os sistemas crescem, a substituição dos atuais qubits líderes da indústria pela versão Princeton poderia permitir que um computador teórico de 1.000 qubits operasse cerca de 1 bilhão de vezes mais eficazmente.

Design baseado em silício apoia o crescimento em escala industrial

O projeto baseia-se em três áreas de especialização. O grupo de Houck concentra-se no projeto e otimização de circuitos supercondutores. O laboratório de De Leon é especializado em metrologia quântica, juntamente com 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 as colaborações entre universidades e empresas são essenciais para o avanço das tecnologias avançadas. “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 da indústria aplicam essas descobertas 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 características subjacentes que permitirão esses tipos de tempos de coerência agora torna a adoção muito fácil para qualquer pessoa que esteja trabalhando em processadores escalonados”.

O artigo “Vida útil em milissegundos e tempos de coerência em qubits transmon 2D” foi publicado na Nature em 5 de novembro. Junto com de Leon, Houck, Cava, Bahrami e Bland, os autores 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, Guangming Cheng e Nan Yao. Esta pesquisa recebeu apoio primário do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, Centro de Co-design para Vantagem Quantum (C2QA) e apoio parcial do Google Quantum AI.