Tecnologia Científica
Princeton acelera o desenvolvimento da computação quântica com um novo qubit
Em um passo importante rumo a computadores quânticos práticos, engenheiros de Princeton construíram um qubit supercondutor que dura três vezes mais do que as melhores versões atuais.
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Alaina O'Regan - 19/11/2025
Em um passo importante rumo a computadores quânticos práticos, engenheiros de Princeton construíram um qubit supercondutor que dura três vezes mais do que as melhores versões atuais.
“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 tempo”, disse Andrew Houck, líder de um centro nacional de pesquisa quântica financiado pelo governo federal , reitor da faculdade de engenharia de Princeton e coinvestigador principal do artigo. “Este é o próximo grande salto em frente.”
Em um artigo publicado em 5 de novembro na revista Nature, a equipe de Princeton relatou que seu novo qubit tem uma duração superior a 1 milissegundo. Isso representa três vezes mais tempo do que o melhor resultado já registrado em laboratório e quase 15 vezes mais do que o padrão da indústria para processadores de grande escala. Os pesquisadores construíram um chip quântico totalmente funcional baseado nesse qubit para validar seu desempenho, superando um dos principais obstáculos para a correção eficiente de erros e a escalabilidade em sistemas industriais.
O novo design de qubit é semelhante aos já utilizados por empresas líderes como Google e IBM, e poderia ser facilmente integrado a processadores existentes, segundo os pesquisadores. Trocar os componentes de Princeton pelo melhor processador quântico do Google, chamado Willow , permitiria que ele funcionasse 1.000 vezes melhor, disse Houck. Os benefícios do qubit de Princeton crescem exponencialmente com o aumento do tamanho do sistema, portanto, adicionar mais qubits traria benefícios ainda maiores.
Hardware melhor é essencial para o avanço dos computadores quânticos
Os computadores quânticos demonstraram potencial para resolver problemas que não podem ser solucionados com computadores convencionais. No entanto, as versões atuais ainda estão em estágios iniciais de desenvolvimento e permanecem limitadas. Isso se deve principalmente ao fato de que o componente básico dos computadores quânticos, o qubit, falha antes que os sistemas possam executar cálculos úteis. Estender a vida útil do qubit, chamada de tempo de coerência, é essencial para permitir que os computadores quânticos realizem operações complexas. O qubit de Princeton representa o maior avanço individual em tempo de coerência em mais de uma década.
“Este avanço tira a computação quântica do reino do meramente possível e a coloca no reino do prático”, disse Houck. “Agora podemos começar a progredir muito mais rapidamente. É bem possível que, até o final da década, vejamos um computador quântico cientificamente relevante.”
Embora os engenheiros estejam explorando diversas tecnologias para desenvolver qubits, a versão de Princeton se baseia em um tipo de circuito chamado qubit transmon. Os qubits transmon, utilizados em projetos de empresas como Google e IBM, são circuitos supercondutores que operam em temperaturas extremamente baixas. Suas vantagens incluem uma tolerância relativamente alta a interferências externas e compatibilidade com a fabricação de eletrônicos atuais.
Mas o tempo de coerência dos qubits transmon provou ser extremamente difícil de estender. Um estudo recente do Google mostrou que a principal limitação enfrentada para aprimorar seu processador mais recente reside na qualidade do material dos qubits.
A equipe de Princeton adotou uma abordagem dupla para redesenhar o qubit. Primeiro, eles usaram um metal chamado tântalo para ajudar os circuitos frágeis a conservar energia. Segundo, substituíram o substrato de safira tradicional por silício de alta qualidade, o material padrão da indústria da computação. Para cultivar tântalo diretamente sobre o silício, a equipe teve que superar uma série de desafios técnicos relacionados às propriedades intrínsecas dos materiais. Mas, no fim, eles triunfaram, desvendando o profundo potencial dessa combinação.
Nathalie de Leon, codiretora da Iniciativa Quântica de Princeton e coinvestigadora principal do novo qubit, afirmou que o chip de tântalo-silício desenvolvido por ela não só supera os projetos existentes, como também é mais fácil de produzir em massa. "Nossos resultados estão realmente impulsionando o estado da arte", disse ela.
Michel Devoret, cientista-chefe de hardware do Google Quantum AI, que financiou parcialmente a pesquisa, afirmou que o desafio de estender a vida útil dos circuitos de computação quântica havia se tornado um "cemitério" de ideias para muitos físicos. "Nathalie realmente teve a coragem de seguir essa estratégia e fazê-la funcionar", disse Devoret, ganhador do Prêmio Nobel de Física de 2025.
A pesquisa foi financiada principalmente pelos Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA e pelo Centro de Codisign para Vantagem Quântica (C2QA) — um centro que Houck dirigiu de 2021 a 2025 e onde agora é o cientista-chefe . Os coautores principais do artigo são a pesquisadora de pós-doutorado Faranak Bahrami e o estudante de pós-graduação Matthew P. Bland.
O uso de tântalo torna os chips quânticos mais robustos
Houck, professor titular da cátedra Anthony HP Lee '79 P11 P14 de Engenharia Elétrica e de Computação, afirmou que o poder de um computador quântico depende de dois fatores. O primeiro é o número total de qubits interligados. O segundo é quantas operações cada qubit pode realizar antes que os erros se tornem ineficazes. Ao aprimorar a qualidade dos qubits individuais, o novo artigo contribui para o avanço de ambos os aspectos. Especificamente, um qubit com maior durabilidade ajuda a resolver os maiores obstáculos da indústria: escalabilidade e correção de erros.
A fonte mais comum de erros nesses qubits é a perda de energia. Pequenos defeitos superficiais ocultos no metal podem aprisionar e absorver energia à medida que ela se move pelo circuito. Isso faz com que o qubit perca energia rapidamente durante um cálculo, introduzindo erros que se multiplicam conforme mais qubits são adicionados a um chip. O tântalo normalmente apresenta menos desses defeitos do que metais mais comuns, como o alumínio. Menos erros também facilitam a correção daqueles que ocorrem.
Houck e de Leon, professora associada de engenharia elétrica e da computação, introduziram pela primeira vez o uso de tântalo em chips supercondutores em 2021, em colaboração com o químico Robert Cava , professor de química da Universidade de Princeton, detentor da cátedra Russell Wellman Moore. Apesar de não ter experiência em computação quântica, Cava, especialista em materiais supercondutores, inspirou-se em uma palestra que de Leon havia apresentado alguns anos antes, e os dois iniciaram uma conversa contínua sobre materiais para qubits. Eventualmente, Cava apontou que o tântalo poderia oferecer mais benefícios e menos desvantagens. "Então ela foi lá e fez", disse Cava, referindo-se a de Leon e à equipe em geral. "Essa é a parte incrível."
Pesquisadores dos três laboratórios seguiram a intuição de Cava e construíram um circuito supercondutor de tântalo sobre um substrato de safira. O projeto demonstrou um aumento significativo no tempo de coerência, em linha com o recorde mundial.
A principal vantagem do tântalo é sua excepcional robustez, capaz de suportar a limpeza rigorosa necessária para remover a contaminação do processo de fabricação. "Você pode colocar o tântalo em ácido e, mesmo assim, suas propriedades não se alteram", afirmou Bahrami, coautor principal do novo artigo.
Após a remoção dos contaminantes, a equipe desenvolveu um método para medir as próximas fontes de perda de energia. A maior parte da perda restante provinha do substrato de safira. Eles substituíram a safira por silício, um material amplamente disponível e de altíssima pureza.
A combinação desses dois materiais, juntamente com o aprimoramento das técnicas de fabricação e medição, resultou em uma das maiores melhorias individuais na história do transmon. Houck classificou o trabalho como "um grande avanço no caminho para viabilizar a computação quântica útil".
Como as melhorias aumentam exponencialmente com o tamanho do sistema, Houck afirmou que substituir o melhor projeto atual do setor pelo projeto de Princeton permitiria que um hipotético computador de 1.000 qubits funcionasse aproximadamente 1 bilhão de vezes melhor.
A utilização de silício prepara os novos chips para a produção em escala industrial
O trabalho reúne profundo conhecimento em design de dispositivos quânticos e ciência dos materiais. O grupo de Houck se especializa na construção e otimização de circuitos supercondutores; o laboratório de De Leon se concentra em metrologia quântica e nos materiais e processos de fabricação que sustentam o desempenho dos qubits; e a equipe de pesquisa de Cava passou três décadas na vanguarda dos materiais supercondutores. A combinação de suas especialidades gerou resultados que não poderiam ter sido alcançados individualmente. Esses resultados agora atraíram a atenção da indústria.
Devoret, o cientista do Google, que também é professor de física na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, afirmou que as parcerias entre universidades e a indústria são importantes para o avanço das fronteiras da tecnologia. "Existe uma relação bastante harmoniosa entre a indústria e a pesquisa acadêmica", disse ele. Os laboratórios universitários estão bem posicionados para se concentrarem nos aspectos fundamentais que limitam o desempenho de um computador quântico, enquanto a indústria amplia esses avanços para sistemas de grande escala.
“Demonstramos que é possível em 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, torna agora muito fácil para qualquer pessoa que esteja trabalhando em processadores escalonados adotá-los.”
O artigo “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits” foi publicado na revista Nature em 5 de novembro. Além de 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. Este trabalho foi financiado principalmente pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica e Centro de Codisign para Vantagem Quântica (C2QA); e parcialmente financiado pelo Google Quantum AI.
