Quibit supercondutor da Universidade de Princeton mantém o estado por mais de 1 ms

Os engenheiros conseguiram prolongar a sua estabilidade recorrendo a uma pilha de materiais mais inteligente e a um processo de fabrico meticuloso.

Investigadores nos Estados Unidos afirmam que um qubit supercondutor já consegue conservar o seu estado durante mais de um milissegundo, tempo suficiente para mudar a forma como se avaliam os circuitos quânticos realmente úteis. O resultado não só estabelece novos registos laboratoriais como também aproxima os roteiros industriais de arquitecturas que parecem fabricáveis em vez de feitas à medida.

Porque é que este marco importa

O tempo de coerência define o limite temporal de tudo o que um processador quântico consegue fazer. Quanto mais tempo um qubit preserva o seu estado, maior é o número de portas lógicas que pode executar antes de o ruído prevalecer. A equipa da Universidade de Princeton relata uma coerência superior a 1 ms num transmon 2D, com fidelidade de porta de um único qubit medida em 99,994%. Essa combinação começa a parecer a base de uma máquina prática, e não apenas uma demonstração isolada.

Mais de 1 ms de coerência e fidelidades de 99,994% num único qubit transformam estados frágeis em tempo de computação utilizável - e não apenas em curiosidades de laboratório.

O salto é relevante quando visto em contexto. Segundo a equipa, o novo dispositivo alonga a coerência cerca de três vezes face aos melhores valores laboratoriais recentes e cerca de quinze vezes acima do hardware industrial típico de hoje. Essa folga amplia a profundidade dos circuitos, reduz o orçamento de erro e obriga menos vezes a correção de erros apenas para manter o sistema operacional.

Como Princeton conseguiu isto: qubit supercondutor em tântalo e silício

O grupo liderado por Andrew Houck trocou o alumínio habitualmente usado na circuitaria supercondutora do qubit por tântalo e substituiu os substratos de safira por silício de alta qualidade. A química de superfície do tântalo tende a apresentar menos defeitos que introduzem perdas, enquanto o silício abre caminho ao processamento em escala de wafer e às ferramentas em que a indústria de semicondutores já confia.

Juntar estes elementos exigiu muito trabalho fino. Fazer crescer filmes limpos de tântalo directamente sobre silício, controlar as interfaces e manter baixas as perdas parasitas obrigou a um controlo rigoroso à escala atómica. O retorno é uma pilha simples, compatível com as linhas de fabrico actuais.

Uma estrutura prática - tântalo sobre silício de elevada qualidade - produz um transmon 2D que se mantém estável tempo suficiente para executar algoritmos reais.

Desempenho medido

A equipa reporta coerência acima de 1 ms e portas de um único qubit com 99,994% de fidelidade num chip plenamente funcional, e não apenas numa estrutura de teste isolada. Isso é decisivo para a escala: um desenho que se integra em electrónica de controlo e hardware de leitura já existentes tem muito mais hipóteses de evoluir de meia dúzia de qubits para milhares.

Outro ponto importante é a repetibilidade do processo. Quando a mesma receita de fabrico produz qubits mais uniformes, a calibração torna-se menos exigente e a taxa de tempo útil dos sistemas melhora. Para máquinas quânticas com muitos qubits, essa consistência vale quase tanto como um novo máximo de coerência, porque reduz a variabilidade entre dispositivos e simplifica a operação diária.

O que isto significa para o roteiro tecnológico

Trata-se ainda de um transmon supercondutor, pelo que a arquitectura continua alinhada com a usada por Google, IBM e outros. Os investigadores defendem que introduzir qubits deste tipo em esquemas já estabelecidos poderá elevar de forma dramática o desempenho efectivo - sugerem até mil vezes em alguns regimes - porque a coerência se multiplica ao longo das camadas de computação. A afirmação precisa de ampla replicação, mas o raciocínio acompanha a matemática da profundidade dos circuitos e da acumulação de erros.

• Circuitos mais profundos antes de atingir o muro do ruído, permitindo mais camadas de portas de dois qubits em algoritmos como QAOA e VQE.
• Menor sobrecarga de correcção de erros, o que pode reduzir o número de qubits físicos necessários por qubit lógico.
• Percurso mais directo para o fabrico graças a substratos de silício, ferramentas de wafer e fluxos compatíveis com CMOS.
• Melhor uniformidade entre dispositivos, o que facilita a calibração e melhora a disponibilidade em matrizes com vários qubits.

Aumentar a coerência não significa apenas mais tempo de execução - significa abrir espaço para regimes totalmente diferentes de profundidade algorítmica e de sobrecarga de correcção de erros.

Como se compara com o marco finlandês do verão

A Universidade Aalto, na Finlândia, ultrapassou 1 ms mais cedo este ano numa amostra de transmon isolada. O trabalho de Princeton situa-se noutro patamar: coerência no mesmo campeonato, mas integrada num chip completo, com operações de porta avaliadas e uma pilha de materiais pensada para fabrico. Ambos empurram a área para a frente; apenas apontam para passos seguintes diferentes.

Aspeto	Finlândia (Aalto)	Estados Unidos (Princeton)
Tipo de qubit	Transmon supercondutor	Transmon supercondutor
Melhor coerência	Cerca de 1,02 ms	Acima de 1 ms
Contexto do dispositivo	Amostra isolada	Chip completo com controlo e leitura
Fidelidade de porta comunicada	Não especificada	Portas de um único qubit a 99,994%
Substrato e materiais	Safira; processamento ultrapurificado	Tântalo sobre silício; compatível com CMOS
Objectivo declarado	Recorde de duração	Fabrico escalável e integração de sistemas
Local de publicação	Nature Communications (julho de 2025)	Nature (novembro de 2025)

Limitações e próximos testes

Os resultados de um único qubit são excelentes, mas um processador útil vive ou morre pela qualidade das operações de dois qubits, pela interferência entre canais e pelo rendimento em matrizes grandes. Os próximos marcos são claros: demonstrar fidelidades de dois qubits bem acima de 99,9%, manter a coerência elevada quando centenas de qubits partilham cablagem e encapsulamento, e obter resultados consistentes em wafers inteiros.

As vitórias em materiais podem ser frágeis. Os tratamentos de superfície envelhecem, as perdas por micro-ondas vão-se insinuando e a própria pilha criogénica acrescenta ruído. Laboratórios independentes terão de reproduzir a receita tântalo-silício e confirmar que os ganhos sobrevivem a novas ferramentas, geometrias diferentes e ciclos prolongados a temperaturas de milikelvin.

O número principal é forte. O campo precisa agora do mesmo comportamento em redes densas, com portas de emaranhamento e controlo de cadeia completa a funcionar.

O que um milissegundo permite, na prática

As operações de porta em sistemas supercondutores costumam situar-se entre dezenas e centenas de nanossegundos. Quando a coerência se estende para a escala do milissegundo, os circuitos podem incluir muito mais camadas antes de os erros anularem os resultados. Isso abre espaço para simulações de química com maior precisão, rotinas de optimização com varrimentos paramétricos mais profundos e protótipos com correcção de erros que fazem mais do que estabilizar um único qubit lógico.

Qubits com maior duração também reduzem a carga de manutenção. Os dispositivos derivam menos durante as calibrações, os impulsos de controlo podem ser moldados de forma mais suave e as estratégias de leitura podem dar prioridade à fidelidade sem estarem sempre a correr contra o relógio. Esses pequenos ganhos ao nível do sistema costumam somar-se e traduzir-se em maior produtividade em cargas de trabalho reais.

O glossário rápido para não confundir termos

O tempo de coerência mede durante quanto tempo um qubit preserva a informação de fase antes de o ruído a desorganizar. Em muitos casos, a vida útil refere-se à relaxação de energia - quando um estado excitado regressa a um nível inferior. A fidelidade avalia quão bem uma porta executa exactamente a tarefa que promete. Os três valores precisam de ser elevados em conjunto para que a computação seja significativa. O relatório de Princeton coloca cada um deles numa zona favorável para planos de escala baseados em correcção de erros por código de superfície.

Riscos, constrangimentos e visão mais ampla

O tântalo parece uma escolha inteligente, mas não está livre de limitações de abastecimento nem de particularidades de processamento. Os óxidos de superfície podem tanto ajudar como agravar as perdas, dependendo da forma como são crescidos e gravados. As linhas de fabrico têm de equilibrar desempenho dos qubits com rendimento, uniformidade e custo por wafer. A infraestrutura criogénica continua a dominar o consumo energético e a ocupação de espaço; criogenia mais barata e multiplexagem mais engenhosa continuam a ser alavancas importantes.

O esforço britânico na área quântica, desde projectos-piloto de fabrico até à electrónica de controlo criogénica, encaixa bem nesta tendência. Se a combinação tântalo-silício se provar robusta, tornam-se realistas parcerias ao estilo de fundição, e as equipas de algoritmos poderão planear circuitos mais profundos em vez de recorrerem constantemente a soluções de recurso para contornar o ruído. É essa a mudança discreta por trás da manchete: mais tempo no relógio cria espaço para computação verdadeira, e não apenas para demonstrações cuidadosas.